[논문 리뷰] On the mass of moderately rotating strange stars in the MIT bag model and LMXBs

J. L. Zdunik, T. Bulik외 3명|arXiv (Cornell University)|2000. 04. 19.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 미세한 쿼크 질량과 QCD 결합 효과를 고려한 MIT 백색 모형에서 중간 정도로 회전하는 이상한 별의 최대 질량을 조사한다. 실용적인 매개변수 범위에서 이상한 별은 2.0 M☉를 초과할 수 있으며, 1.6 ms 이상의 회전 주기 조건에서도 최대 2.6 M☉에 이르게 되어, 질량이 충분히 크고 회전이 중간 정도일 경우 LMXB에서 관측된 kHz QPO와 일치할 수 있다.

ABSTRACT

We compute the maximum mass of moderately rotating strange stars as a function of the strange quark mass, of the QCD coupling constant, $α_c$, and of the bag constant (vacuum energy density), $B$, in the MIT bag model of quark matter with lowest order quark-gluon interactions. For a fixed value of $B$, the maximum stellar mass depends only weakly on $α_c$, and is independent of this coupling in the limit of massless quarks. However, if it is the value of the chemical potential of quark matter at zero pressure which is held constant, for example at the value corresponding to the stability limit of nucleons against conversion to quark matter, the maximum mass of the strange star is higher by up to 25% for $α_c=0.6$, than for non-interacting quarks, and this may be relevant in the discussion of kHz QPO sources. The maximum mass of a non-rotating strange star could be sufficiently high to allow an orbital frequency as low as 1.0 kHz in the marginally stable orbit. However, for all $α_c<0.6$, the stellar mass cannot exceed $2.6M_\odot$ at any rotational period $\ge1.6 $ms.

연구 동기 및 목표

• 실용적인 쿼크 질량과 QCD 결합을 고려한 MIT 백색 모형에서 중간 정도로 회전하는 이상한 별의 최대 질량을 결정하는 것.
• 이러한 별이 LMXB에서의 kHz QPO와 관련된 1.0 kHz 수준의 ISCO 주파수를 지탱할 수 있는지 평가하는 것.
• 배 constant B, 이상한 쿼크 질량 ms, QCD 결합 αc에 따른 별 질량의 의존성을 탐색하는 것.
• 쿼크 물질의 안정성과 β 평형 조건이 타당한 매개변수 공간에 미치는 제약 조건을 평가하는 것.
• 질량과 회전 조건에 기반하여 이상한 별이 LMXB에서의 밀도 있는 천체로서 실현 가능한지 평가하는 것.

제안 방법

• MIT 백색 모형에서의 고리형 이상한 별에 대한 Tolman–Oppenheimer–Volkoff 방정식의 수치적 해법.
• QCD 결합 상수 αc를 통한 최저 순서의 쿼크-글루온 상호작용 통합.
• 비제로인 이상한 쿼크 질량을 가진 β 안정, 삼색상 쿼크 물질의 상태 방정식 사용.
• 쿼크 물질의 안정성과 핵의 결합 에너지 제약 조건을 고려하여 B, ms, αc에 따른 최대 질량 계산.
• ISCO 주파수 공식을 적용하여 밀도 있는 천체의 질량과 회전이 관측된 kHz QPO와의 관계를 규명.
• LMXB에서의 관측 제약과 쿼크 물질 안정성에서 유도된 B에 대한 이론적 한계와 결과 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MIT 백색 모형에서 중간 정도로 회전하는 이상한 별이 1.0 kHz 수준의 ISCO 주파수를 지탱할 정도로 충분히 높은 질량을 가질 수 있는가?
• RQ2 QCD 결합 상수 αc가 비제로인 이상한 쿼크 질량 조건에서 이상한 별의 최대 질량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 압력이 0인 조건에서 쿼크 물질의 화학적 포텐셜을 유지하는 것이 (예: 중성자 물질에서 쿼크 물질로의 전이 지점에서) 이상한 별 질량에 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 쿼크 물질의 안정성과 관측된 별 질량을 고려할 때, B에 대한 상한과 하한은 무엇인가?
• RQ5 1.6 ms 이상의 회전 주기를 가지며 질량이 2.0 M☉를 초과하는 이상한 별이 kHz QPO 관측과 일치할 수 있는가?

주요 결과

• 고정된 배 constant B 조건에서, 고리형 이상한 별의 최대 질량은 QCD 결합 상수 αc에 대해 약한 의존성을 보이며, 질량이 0인 쿼크 근사에서 αc에 독립적이다.
• 압력이 0인 조건에서 화학적 포텐셜을 중성자 안정성 한계에서 유지할 경우, 비상호작용 쿼크에 비해 αc = 0.6일 때 최대 질량이 최대 25% 증가한다.
• 비회전 이상한 별의 최대 질량는 1.06 kHz의 ISCO 주파수를 지탱할 수 있을 정도로 충분히 높을 수 있다.
• 모든 αc < 0.6 조건에서, 어떤 1.6 ms 이상의 회전 주기에서도 최대 별 질량는 2.6 M☉를 초과할 수 없다.
• 일반적인 이상한 쿼크 질량(150–300 MeV) 조건에서는 질량이 0인 쿼크 경우에 비해 최대 질량가 10–20% 감소한다.
• 700 Hz 이하의 주파수까지도 회전 효과는 최대 질량를 4% 미만으로만 증가시키며, 이는 약한 회전 지지 효과를 시사한다.