[論文レビュー] Significantly super-Chandrasekhar limiting mass white dwarfs and their consequences

Banibrata Mukhopadhyay, Upasana Das+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、強い磁場が電子degeneracy圧力に及ぼす影響により、高磁化白色矮星（B-WDs）がチャンドラセカール限界を最大80%まで上回り、質量が約2.58 M☉に達する可能性を提案している。このモデルは、極端な磁場を必要とせず、過光度的Ia超新星、ソフトガンマ線反復爆発源、白色矮星パルサーを説明可能であり、天文学的標準キャンドルの第二候補を提示する新しい質量限界を導入する。

ABSTRACT

Since 2012, we have initiated a new idea showing that the mass of highly magnetized or modified Einstein's gravity induced white dwarfs could be significantly super-Chandrasekhar with a different mass-limit. This discovery has several important consequences, including explanation of peculiar, over-luminous type Ia supernovae, soft gamma-ray repeaters and anomalous X-ray pulsars without invoking extraordinarily strong, yet unobserved, magnetic fields. It further argues for a possible second standard candle. Based on simpler calculations, these white dwarfs are also shown to be much less luminous than their standard counter-parts (of low magnetic fields). This discovery altogether initiates a new field of research.

研究の動機と目的

• 過光度的Ia超新星（SNeIa）がチャンドラセカール質量限界を超える原因を解明すること。
• 未観測の超高強度磁場を仮定せず、ソフトガンマ線反復爆発源（SGRs）および異常X線パルサー（AXPs）の物理的メカニズムを提供すること。
• 強い磁場または修正重力下における白色矮星の新しい質量限界を確立し、標準的なチャンドラセカール限界に挑戦すること。
• 超チャンドラセカール白色矮星に基づく宇宙論的第二標準キャンドルの可能性を検討すること。
• 高磁化白色矮星の安定性および観測的特徴（放射度および回転エネルギー出力など）を調査すること。

提案手法

• 強い磁場（B > 10¹⁵ G）下での縮重電子のランダウ準位化を考慮したニュートン的・球対称モデルを用い、状態方程式（EoS）を修正した。
• ラン・エーメン形式を適用し、中心密度に応じた質量および半径のスケーリング則を導出し、チャンドラセカール限界のn=3条件に依存しない新しい質量限界を示した。
• 非球対称かつ自己自己一貫的B-WDをモデル化するため、一般相対性理論的磁気流体力学（GRMHD）をXNSコードを用いて実装した。
• ランダウ準位とフェルミ運動量を含む圧力積分を用いて修正されたEoSを導出し、有効磁場強度は$ B_D = B / (4.414 \times 10^{13}\,\text{G}) $でスケーリングした。
• ダイポール磁場配置を仮定し、回転エネルギー損失率と観測されたX線放射度を比較するためのスピンダウン放射度モデルを用いた。
• GCRT J1745-3009およびAR ScoのWDパルサー仮説を再検討し、$ B_s \sim 10^{11}-10^{12}\,\text{G} $のゆっくり回転する高磁化白色矮星モデルを用い、電波およびX線放射度と整合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い磁場の影響により、白色矮星はチャンドラセカール限界を著しく上回ることができるものか？そのときの新しい質量限界は何か？
• RQ2 極端な磁場を必要とせず、超チャンドラセカール白色矮星は過光度的Ia超新星の観測的性質を説明できるか？
• RQ3 高磁化白色矮星は、ソフトガンマ線反復爆発源（SGRs）および異常X線パルサー（AXPs）の代替的説明として妥当な可能性を有するか？
• RQ4 GCRT J1745-3009やAR Scoのような源におけるWDパルサー現象は、修正されたEoSを持つ高磁化・ゆっくり回転する白色矮星によって説明可能か？
• RQ5 特にポリロイダル・トロイダル磁場の混合配置下において、超チャンドラセカール白色矮星は現実的な磁場配置のもとで安定しているか？

主な発見

• 磁化度$ \mu_e = 2 $の高磁化白色矮星の新しい質量限界は約2.58 M☉であり、標準的なチャンドラセカール限界に比べ75%の増加である。
• 中心密度$ \rho_c = 2 \times 10^{10} \,\text{gm/cm}^3 $および磁場$ B = 8.8 \times 10^{15} \,\text{G} $の条件下で、質量は2.44 M☉に達し、半径は約650 kmにまで縮小し、不安定化の閾値をはるかに下回っている。
• GRMHDシミュレーションにおける回転・非回転シーケンスから、B-WDは磁気エネルギーが重力エネルギーを下回る状況でも、チャンドラセカール限界を著しく上回る質量を維持できることを示した。
• B-WDのUV放射度はEddington放射度のおよそ10⁻⁴倍と推定され、標準的白色矮星よりも暗いため、光学サーベイでの非検出を説明できる。
• 9つのSGR/AXP源において、回転エネルギー損失率$ \dot{E}_{\rm rot} $は観測されたX線放射度$ L_x $よりも数個のオーダー大きく、回転エネルギーが観測放射を駆動している可能性を示唆した。
• GCRT J1745-3009およびAR Scoの再分析は、$ B_s \sim 3.3 \times 10^{11} - 2 \times 10^{12} \,\text{G} $のB-WDを仮定したWDパルサーモデルを支持しており、距離は観測と整合する$ \lesssim 8.5 \,\text{kpc} $に制限された。