[논문 리뷰] Rapid uniform rotation of protoneutron stars

J. O. Goussard, P. Haensel외 1명|ArXiv.org|1996. 10. 31.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 1인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 현실적인 밀도물질 상태방정식을 사용한 일반상대론적 모델을 통해 초중성자별의 빠른 균일한 회전을 조사한다. 최대 회전 주파수는 냉각 중성자별에 사용된 경험적 공식으로 잘 근사되며, 초중성자별의 열적 및 렙톤 풍부한 영향으로 인해 고립된 펄서의 최소 회전 주기는 냉각 중성자별보다 상당히 길다.

ABSTRACT

Rapid uniform rotation of newborn neutron stars (protoneutron stars) is studied for a range of internal temperatures and entropies per baryon predicted by the existing numerical simulations. Calculations are performed using general relativistic equations of hydrostatic equilibrium of rotating, axially symmetric stars. Stability of rotating configurations with respect to mass shedding and the axially symmetric perturbations is studied. Numerical calculations are performed for a realistic dense matter equation of state, under various assumptions concerning neutron star interior (large trapped lepton number, no trapped lepton number, isentropic, isothermal). For configurations with baryon mass well below the maximum one for the non-rotating models, the mass shedding limit depends quite sensitively on the position of the ``neutrinosphere''. The absolute upper limit on rotation frequency is, to a good approximation, obtained for the maximum baryon mass of rotating configurations. Empirical formula for the maximum rotation frequency of uniformly rotating protoneutron stars is shown to be quite precise; it actually coincides with that used for cold neutron stars. Evolutionary sequences at fixed baryon mass and angular momentum, which correspond to evolution of protoneutron stars into cold neutron stars are studied, and resulting constraints on the maximum rotation frequency of solitary pulsars are discussed.

연구 동기 및 목표

• 실제 밀도물질 상태방정식 하에서 균일하게 회전하는 초중성자별의 최대 회전 주파수를 결정하기 위해.
• 열 에너지, 갇힌 렙톤 수, 중성자별 구조가 회전 안정성과 질량 탈출 한계에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 초중성자별의 진화가 고립된 중성자별(고립 펄서)의 최대 스핀 주기에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 핫하고 렙톤 풍부한 초중성자별에 대해 최대 회전 주파수의 경험적 공식이 타당한지 테스트하기 위해.
• 서서히 발생하는 불안정성과 열 구조가 초중성자별 진화 기간 동안 회전 속도의 상한선에 미치는 영향을 조사하기 위해.

제안 방법

• 축대칭이고 균일하게 회전하는 별에 대해 일반상대론적 수압평형 방정식을 해결한다.
• 핵자와 렙톤을 포함한 현실적인 밀도물질 상태방정식을 사용하며, 갇힌 렙톤 수와 온도 분포에 대한 다양한 가정을 적용한다.
• 질량 탈출 한계에 영향을 주는 변형된 타원형 중성자별 대류층의 위치를 근사적으로 결정하기 위한 방법을 적용한다.
• 기존의 초중성자별 시뮬레이션과 일치하는 범위의 기질질량, 온도, 엔트로피를 기반으로 수치 계산을 수행한다.
• 질량 탈출과 축대칭 편열에 대한 안정성을 평가하여 회전 한계를 결정한다.
• 기질질량과 각운동량을 일정하게 유지하는 진화 경로를 따라 초중성자별의 냉각 과정을 모의하여 냉각 중성자별로의 진화를 추적한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 균일하게 회전하는 초중성자별의 최대 회전 주파수는 온도, 엔트로피, 갇힌 렙톤 함량에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ2 중성자별 대류층의 형상과 위치가 빠르게 회전하는 초중성자별의 질량 탈출 한계에 미치는 영향은 어느 정도인가?
• RQ3 이미 냉각 중성자별에 대해 검증된 최대 회전 주파수의 경험적 공식이 핫하고 밀도가 높은 초중성자별에도 적용 가능한가?
• RQ4 초중성자별의 진화 과정이 고립된 중성자별의 최소 스핀 주기에 미치는 제약 조건은 무엇인가?
• RQ5 서서히 발생하는 불안정성과 열 구조는 초중성자별의 회전 주파수 상한선에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 초중성자별의 최대 회전 주파수는 냉각 중성자별에 사용된 경험적 공식으로 매우 정밀하게 근사된다.
• 질량 탈출 한계는 낮은 기질질량에서 중성자별 대류층 위치에 민감하게 의존하지만, 질량이 증가함에 따라 이 의존도는 약화된다.
• 회전하는 구성에서 최대 기질질량일 때 최대 회전 주파수의 절대 상한선이 달성된다.
• 비회전 모델의 최대 기질질량 이하의 기질질량을 가진 초중성자별의 경우, 최소 회전 주기는 냉각 중성자별보다 상당히 길다.
• 서서히 발생하는 불안정성을 고려할 경우 최대 회전 주파수는 더 낮아지며, 이는 고립된 펄서가 냉각 중성자별만큼 빠르게 돌 수 없다는 결론을 더욱 강화한다.
• 열 구조와 중성자별 대류층 위치에 대한 근사에 대해 결과가 강인하므로, 주요 결론은 이러한 단순화에 민감하지 않다.