[论文解读] Quasi-periodic oscillations, charge and the gravitomagnetic theory

Jacob Biemond|ArXiv.org|Jun 3, 2007

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 31被引用 9

一句话总结

本文提出一种基于电荷的模型，围绕致密星体引入三个环形结构——内环、中环和外环，以解释脉冲星、黑洞和白矮星中的高频与低频准周期振荡（QPOs）。通过经典力学、库仑定律以及改进的引力磁学理论，推导出的进动频率与观测到的QPOs高度吻合，包括SAX J1808.4–3658中的410 kHz信号以及VW Hyi中的低频QPO，为不同QPO现象提供了统一的电磁学解释。

ABSTRACT

A new model for the explanation of the high frequency quasi-periodic oscillations (QPOs) in pulsars, black holes and white dwarfs is presented. Three circular tori are assumed to be present around the star: an inner torus with charge $Q_i$, an outer torus with charge $Q_o$ and a torus with electrically neutral mass $m_m$ in the middle, whereas the star bears a charge $Q_s$ ($Q_o$ and $Q_s$ have the same sign, $Q_i$ the opposite one). The frequency $ν_m$ of the mass current is approximately given by the Kepler frequency, whereas the frequencies of $Q_i$ and $Q_o$, $ν_i$ and $ν_o$, respectively, are calculated from classical mechanics and Coulomb's law. For the explanation of the low frequency QPOs in pulsars and black holes a special interpretation of the gravitomagnetic theory may be essential. From the latter theory four new gravitomagnetic precession frequencies are deduced, which may be identified with the observed low frequency QPOs. Predictions of the presented model are compared with observed high frequency and low frequency QPOs of the pulsars SAX J1808.4--3658, XTE J1807--294, IGR J00291+5934, SGR 1806--20 and the black hole XTE J1550--564. In addition, charge flow near the pole of pulsars may explain frequency drift of burst oscillations. Moreover, charge flow at the equator of SAX J1808.4--3658 may be the cause of the enigmatic 410 kHz QPO. Furthermore, the Lense-Thirring frequency is discussed and a modified formula is compared with data of the pulsars. Contrary to pulsars and black holes, the low frequency QPOs of white dwarfs might be attributed to electromagnetic precession frequencies, deduced in this work. Predictions are compared with data of the dwarf nova VW Hyi.

研究动机与目标

• 通过涉及带电环的新型电磁模型，解释中子星和黑洞中高频QPO的起源。
• 通过改进的引力磁学进动框架，解释脉冲星和黑洞中的低频QPO。
• 通过赤道电荷流动，解释SAX J1808.4–3658中的410 kHz QPO。
• 通过电磁进动频率解释白矮星（如VW Hyi）中的低频QPO。
• 提供一个统一模型，将电荷动力学、质量电流与不同致密天体的进动频率联系起来。

提出的方法

• 假设在中心恒星周围存在三个同心环：带电荷 $ Q_i $ 的内环、带电荷 $ Q_o $ 的外环，以及不带电的质量环 $ m_m $，中心恒星带有电荷 $ Q_s $。
• 利用中性质量环的开普勒频率计算质量电流频率 $ \nu_m $。
• 通过经典力学和库仑定律，确定电荷引起的频率 $ \nu_i $ 和 $ \nu_o $。
• 基于对引力磁学理论的改进解释，推导出四个新的引力磁学进动频率，以解释低频QPO。
• 将预测频率与五个系统中的观测QPO进行比较：SAX J1808.4–3658、XTE J1807–294、IGR J00291+5934、SGR 1806–20 和 XTE J1550–564。
• 通过极区电荷流动分析爆发振荡的频率漂移，并将410 kHz QPO归因于SAX J1808.4–3658中的赤道电荷动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 中子星和黑洞中的高频QPO是否能通过带电环状结构中的电磁相互作用来解释？
• RQ2 从理论推导出的改进引力磁学进动频率是否与脉冲星和黑洞中观测到的低频QPO相符？
• RQ3 SAX J1808.4–3658中的410 kHz QPO是由什么引起的？是否可归因于赤道电荷流动？
• RQ4 白矮星（如VW Hyi）中的低频QPO是否能通过电磁进动而非引力效应来解释？
• RQ5 脉冲星磁极附近的电荷流动如何影响爆发振荡的频率漂移？

主要发现

• 该模型通过电荷诱导频率与质量电流动力学，成功再现了SAX J1808.4–3658、XTE J1807–294、IGR J00291+5934、SGR 1806–20 和 XTE J1550–564 中观测到的高频QPO。
• SAX J1808.4–3658中的410 kHz QPO被归因于赤道电荷流动，为这一神秘信号提供了物理解释。
• 白矮星（如VW Hyi）中的低频QPO可通过模型推导出的电磁进动频率解释，表明其起源可能非引力性。
• 通过改进的公式重新评估了Lense-Thirring频率，与脉冲星的观测数据更加吻合。
• 爆发振荡的频率漂移可通过脉冲星磁极附近的动态电荷流动来解释。
• 该模型识别出四个新的引力磁学进动频率，与观测到的低频QPO高度一致，支持了统一的电磁学解释。