[논문 리뷰] Fast rotation of strange stars

Éric Gourgoulhon, P. Haensel외 4명|arXiv (Cornell University)|1999. 07. 16.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 2인용 수 31

한 줄 요약

이 논문은 강한 밀도 불연속성이 별 표면에서 발생하는 것을 정확히 다룰 수 있도록 새로운 다영역 스펙트럼 방법을 사용하여 일반 상대성 이론에 기반한 균일하게 회전하는 이상별의 정확한 모델을 제시한다. 이는 백상수에 대한 함수로서 이상별의 최대 회전 주파수, 질량, 반경에 대한 정확한 해석적 관계를 유도하며, 빠르게 회전하는 이상별은 중성자별보다 훨씬 높은 T/W 비율을 보이며, 이는 삼축 불안정성에 더 민감할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Exact models of uniformly rotating strange stars, built of self bound quark matter, are calculated within the framework of general relativity. This is made possible thanks to a new numerical technique capable to handle the strong density discontinuity at the surface of these stars. Numerical calculations are done for a simple MIT bag model equation of state of strange quark matter. Evolutionary sequences of models of rotating strange stars at constant baryon mass are calculated. Maximally rotating configurations of strange stars are determined, assuming that the rotation frequency is limited by the mass shedding and the secular instability with respect to axisymmetric perturbations. Exact formulae which give the dependence of the maximum rotation frequency, and of the maximum mass and corresponding radius of rotating configurations, on the value of the bag constant, are obtained. The values of T/W for rapidly rotating massive strange stars are significantly higher than those for ordinary neutron stars. This might indicate particular susceptibility of rapidly rotating strange stars to triaxial instabilities.

연구 동기 및 목표

• 일반 상대성 이론 하에서 균일하게 회전하는 이상별의 정확한 수치 모델을 개발하여 느린 회전 근사의 한계를 극복한다.
• 표면에서의 강한 밀도 불연속성을 표준 수치 기법이 잘 다루지 못하는 데 비해 정확히 처리한다.
• 주어진 백상수에 대해 이상별의 최대 회전 주파수, 질량, 반경을 정확한 방법으로 결정한다.
• T/W 비율 분석을 통해 빠르게 회전하는 이상별에서 삼축 불안정성의 가능성을 평가한다.
• 내부 오차 추정기와 척도 관계를 사용하여 수치 방법의 정밀도를 검증한다.

제안 방법

• Bonazzola 등 (1998b)이 개발한 다영역 스펙트럼 방법을 사용하여 일반 상대성 이론의 아인슈타인 장 방정식을 고정밀도로 해결한다.
• 이 방법은 다중 영역에서의 적응형 비균일 그리드를 사용함으로써 별 표면에서의 밀도 불연속성을 정확히 처리할 수 있다.
• 상태 방정식은 단일 매개변수인 백상수 B를 가진 MIT 백 모델에 기반하며, u 및 d 쿼크는 질량이 없고, 고정된 스트레인지 쿼크 질량을 가진다.
• 고정된 기체 질량을 기준으로 하는 이상별의 진화 시퀀스를 계산하여 구조적 매개변수의 회전에 대한 의존성을 추적한다.
• 최대 회전 주파수는 질량 탈출 한계와 비정상 축대칭 불안정성 기준에 의해 결정된다.
• 다른 백상수에 대해 극한 상태의 구성 간 척도 관계를 테스트하여 수치 정밀도를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 백상수에 대한 함수로서 이상별이 달성할 수 있는 정확한 최대 회전 주파수는 무엇인가?
• RQ2 회전하는 이상별의 최대 질량과 반경은 백상수에 어떻게 의존하는가?
• RQ3 빠르게 회전하는 이상별의 T/W 비율은 중성자별과 비교해 어떻게 되며, 이는 안정성에 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 다영역 스펙트럼 방법은 이상별의 강한 표면 밀도 불연속성을 정확히 모델링할 수 있는가?
• RQ5 다른 백상수에 대해 극한 상태의 구성 간 척도 관계는 정확한 수치 처리 하에서 유효한가?

주요 결과

• 이상별의 최대 회전 주파수는 백상수가 감소할수록 증가하며, 이에 대한 정확한 해석적 관계가 도출되었다.
• 회전하는 이상별의 최대 질량과 반경은 백상수와 정확히 비례함을 확인하였으며, 정확한 처리 하에서도 척도 법칙이 성립함을 확인하였다.
• 빠르게 회전하는 고질량 이상별의 T/W 비율은 중성자별보다 현저히 높아, 삼축 불안정성에 더 민감할 수 있음을 시사한다.
• 수치 방법은 내부 오차 추정기와 다양한 백상수 간의 일관성 있는 척도 관계를 통해 고정밀도를 확보하였다.
• 결과는 이상별이 r-모드 불안정성의 영향을 받지 않으며, 형성 후 매우 높은 회전 속도를 유지할 수 있음을 확인하였다.
• 이 방법은 코팅이 있는 모델로 확장 가능하나, 복잡성이 증가하므로 본 연구에서는 이러한 구성은 계산하지 않았다.