[論文レビュー] Instability of neutron star matter in high magnetic field: constraint on central magnetic field of magnetars

Monika Sinha, Banibrata Mukhopadhyay|arXiv (Cornell University)|May 27, 2010

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、非線形ボグータ＝ボーディマー＝ワレッカ模型を用いて、極端な磁場下における中性子星物質の安定性を調査した。その結果、中心磁場が約10^19 Gを超えると、密度に関する平行圧力の微分が負になるため、ハイパーヌクレア物質は不安定化することが判明した。これにより、マグネタールの内部均一磁場の強度に上限が課される。

ABSTRACT

Compact stars with strong magnetic fields (magnetars) have been observationally determined to have surface magnetic fields of order of 10^{14}-10^{15} G, the implied internal field strength being several orders larger. We study the equation of state and composition of dense hypernuclear matter in strong magnetic fields in a range expected in the interiors of magnetars. Within the non-linear Boguta-Bodmer-Walecka model we find that the magnetic field has sizable influence on the properties of matter for central magnetic field B \ge 10^{17} G, in particular the matter properties become anisotropic. Moreover, for the central fields B \ge 10^{18} G, the magnetized hypernuclear matter shows instability, which is signaled by the negative sign of the derivative of the pressure parallel to the field with respect to the density, and leads to vanishing parallel pressure at the critical value B_{ m cr} \simeq 10^{19} G. This limits the range of admissible homogeneously distributed fields in magnetars to fields below the critical value B_{ m cr}.

研究の動機と目的

• マグネタール内部に相当する強い磁場下における高密度ハイパーヌクレア物質の状態方程式および組成を検討すること。
• 10^17 Gを超える磁場が物質の性質に与える影響、特に異方性および安定性に与える影響を評価すること。
• マグネタールにおける安定で均一な物質状態を保つために許容可能な最大中心磁場を特定すること。

提案手法

• 強い磁場下におけるハイパーヌクレア物質を記述するため、非線形ボグータ＝ボーディマー＝ワレッカ模型を用いる。
• 磁場に平行および垂直な方向の圧力成分と状態方程式を計算する。
• 不安定性を検出するために、バリオン密度に関する平行圧力の微分を評価する。
• 数値解析を用いて、平行圧力が消える臨界磁場値を特定する。
• 不安定性の結果がマグネタールの内部磁場分布に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マグネタール内のハイパーヌクレア物質が、磁場効果によってどの磁場強度で不安定化するか？
• RQ2 磁場は、高密度の中性子星核における物質性質の異方性にどのように影響するか？
• RQ3 平行圧力の微分が負になる臨界磁場値は何か？ これは不安定性を示唆する。
• RQ4 均一に分布した磁場が10^19 Gを超えることは、不安定化を引き起こさずに可能か？
• RQ5 物質の不安定性は、マグネタールにおける最大中心磁場にどのような制限を課すか？

主な発見

• 10^17 G以上の磁場は、ハイパーヌクレア物質の性質に顕著な影響を与え、その状態方程式に異方性を引き起こす。
• 中心磁場が10^18 G以上の場合、密度に関する平行圧力の微分が負になることから、物質は不安定化する。
• 不安定化が発生する臨界磁場は約10^19 Gであり、この時点で平行圧力が消える。
• この臨界値、B_cr ≈ 10^19 G は、マグネタールにおける均一に分布した内部磁場の強度に上限を設ける。
• マグネタールは、均一な配置で10^19 Gを超える中心磁場を安定に維持できない。