[논문 리뷰] Rapid differential rotation of protoneutron stars and constraints on radio pulsars periods

J. O. Goussard, P. Haensel외 1명|ArXiv.org|1997. 11. 28.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 6인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 일반 상대성 이론 방정식과 스펙트럼 방법을 사용하여 비균일하게 도는 원형중성별을 모델링하며, 열적 구조가 최대 각운동량에 미치는 영향을 보여준다. 1.5 M⊙의 원형중성별에서 충격파가 가해진 고엔트로피 외층이 있는 경우, 형성되는 냉각 중성별의 최소 회전 주기는 약 1.7 ms이며, 이는 밀리초 펄서가 직접 형성되기보다는 물질 붕괴에 의한 스핀업이 필요하다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Models of differentially rotating protoneutron stars are calculated, using realistic equations of state of dense hot matter. Various conditions within the stellar interior, corresponding to different stages of protoneutron star evolution, are considered. Families of differentially rotating models of a given baryon mass are calculated, using a two-parameter formula describing the angular velocity profile within a rotating protoneutron star. Maximum angular momentum, which can be accommodated by a protoneutron star is calculated, for various thermal conditions in stellar interior, for a baryon mass of $1.5 M_\odot$. In the case of a thermally homogeneous (isentropic or isothermal) neutrino-opaque interior this maximum angular momentum turns out to be somewhat higher than that of a cold neutron star of the same baryon mass, rotating uniformly at the mass shedding angular velocity. However, if the protoneutron star has a thermal structure characteristic of initial state, with a low entropy (unshocked) core, and a high entropy (shocked) outer half of baryon mass, the maximum angular momentum is significantly lower. This leads to a minimum period of uniform rotation of cold neutron stars of baryon mass $\sim 1.5~M_\odot$, formed directly (i.e. without a subsequent significant accretion of mass) from protoneutron stars with shocked envelope, of about 1.7 ms and strengthens the hypothesis that millisecond pulsars are accretion accelerated neutron stars.

연구 동기 및 목표

• 원형중성별 내부의 비균일한 회전과 열적 구조가 최대 각운동량 용량에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 충격파가 가해진 외층을 가진 원형중성별에서 형성되는 냉각 중성별의 최소 가능한 스핀 주기를 결정하는 것.
• 원형중성별의 진화를 바탕으로 직접 형성된 밀리초 펄서가 물질 붕괴 없이 가능한지 평가하는 것.
• 비균일하게 도는 원형중성별의 각운동량 한계를 균일하게 도는 냉각 중성별의 것과 비교하는 것.
• 특히 저엔트로피 핵과 고엔트로피 외층을 포함한 열적 구조가 자전 제약 조건에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 정적이고 축대칭인 평형 상태를 위한 일반 상대성 이론 방정식을 사용하여 비균일하게 도는 원형중성별의 수치 모델을 계산한다.
• 별 내부의 각속도 프로파일을 기술하는 두 파rameter 공식을 사용하여 비균일한 회전의 체계적 탐색을 가능하게 한다.
• 바로트로픽 근사 아래에서 상대론적 운동 방정식을 수치적으로 해결하기 위해 스펙트럼 방법을 적용한다.
• 고정된 기질질량 1.5 M⊙ 조건 하에 두 가지 열적 시나리오에서 모델을 계산한다: 충격파가 가해진 외층(고엔트로피 외반구)과 등엔트로피(혼합) 내부.
• 안정된 구성에 대한 제약 조건으로 질량 탈출 한계와 새로 정의된 '최소 질량 한계'를 사용한다.
• 각 구성에 대해 각운동량을 계산하며, 균일하게 도는 냉각 중성별의 최대 각운동량과 결과를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 상태방정식과 열적 조건을 고려할 때, 비균일하게 도는 원형중성별이 견딜 수 있는 최대 각운동량은 얼마인가?
• RQ2 충격파가 가해진 고엔트로피 외층이 존재할 경우, 형성되는 냉각 중성별의 최소 가능한 스핀 주기는 어떻게 영향을 받는가?
• RQ3 충격파가 가해진 외층을 가진 원형중성별이 물질 붕괴 없이 1.7 ms 이하의 주기를 가진 냉각 중성별을 생성할 수 있는가?
• RQ4 비균일한 회전이 같은 질량의 균일하게 도는 냉각 중성별에 비해 각운동량 용량 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ5 원형중성별 내부의 열적 구조가 중성별의 최종 스핀 주기에 미치는 제약 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 충격파가 가해진 고엔트로피 외층을 가진 1.5 M⊙ 원형중성별의 경우, 형성되는 냉각 중성별의 최소 가능한 주기는 약 1.7 ms이다.
• 이 최소 주기는 PSR 1937+21 및 PSR 0034-0534와 같은 가장 빠른 알려진 밀리초 펄서의 주기보다 현저히 길다.
• 충격파가 가해진 외층이 있는 원형중성별은 등엔트로피 내부를 가진 경우보다 열적 구조 효과로 인해 훨씬 낮은 최대 각운동량 용량을 가진다.
• 반대로, 등엔트로피 또는 동온도 내부를 가진 원형중성별은 같은 질량의 냉각 중성별보다 약간 더 높은 각운동량을 유지할 수 있다.
• 결과적으로, 물질 붕괴 없이 원형중성별에서 직접 밀리초 펄서를 형성하는 것은 거의 불가능하며, 이는 물질 붕재에 의한 스핀업 가설을 지지한다.
• 본 연구는 충격파가 가해진 외층 시나리오에서 기인하는 구조적 제약 조건으로 인해 비균일하게 도는 원형중성별에 대한 '최소 질량 한계'를 도입한다.