[論文レビュー] Solid interiors of neutron stars and gravitational radiation

P. Haensel|arXiv (Cornell University)|May 27, 1996

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用数 29

ひとこと要約

本論文は、中性子星の固体内部、特に結晶性の皮膚と潜在的な固体コアが非軸対称性を保ち、連続的重力波放射を引き起こす可能性を調査する。結晶性の『マウント』が検出可能な重力波放射の最も現実的な源であると判明した一方、コアが固体であれば、揺れ角が極めて小さい場合を除き、パルサータイミング制約と矛盾するため、ミリ秒パルサーではそのような状態は極めてまれである。

ABSTRACT

Contents: 1.Introduction 2. Formation and composition of the solid crust 3. The bottom layers of the crust: exotic nuclear shapes and topologies 4. Crust contribution to stellar mass and moment of inertia 5. Solid cores 6. Deformation, elastic strain and mountains 7. Shape and energy of rotating, partially solid neutron star 8. Oblateness and precession 9. Gravitational radiation from precessing pulsars 10. Gravitational radiation from precessing pulsars and pulsar timing 11. Detectability

研究の動機と目的

• 非軸対称な歪みを通じて、固体の中性子星内部が連続的重力波放射源として実現可能かどうかを評価すること。
• 皮膚の『マウント』とコアの前進運動が、有効な三軸歪み（ε_eff）を生じる役割を評価すること。
• パルサータイミングデータと重力波検出要件を用いて、固体コアの存在を制約すること。
• 長時間積分による検出が可能なミリ秒パルサーが、どのような条件下で検出可能な重力波を放射できるかを特定すること。
• 液体-固体結合、重力波減衰、信号の持続性の相互作用を分析し、検出可能性に与える影響を解明すること。

提案手法

• 密度が約10^14 g/cm³まで達する固体格子としての中性子星皮膚をモデル化し、縮重し非一様に分布する原子核を想定する。
• 弾性理論を用いて、非軸対称歪みの安定性を決定する臨界ひずみおよび剛性パラメータ（b）を推定する。
• 重力波の放射率を推定するため、有効三軸歪み ε_eff ∝ I²ε_eff²P⁻⁶ を計算する。ここで I は慣性モーメント、P は回転周期を表す。
• ミリ秒パルサーのタイミング制約（Ṗ < 10⁻¹⁹ s/s）を適用し、許容可能な最大 ε_eff を制限する。
• 重力波減衰 timescale τ_wobble^GR ∝ (bε̂/10⁻⁶)⁻²(P/1 ms)⁻⁴ 年を推定し、信号の持続性を評価する。
• 理論的 ε_eff 値と観測上の上限を比較し、歪みの起源が固体コアか皮膚かの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子星の固体皮膚が『マウント』や前進運動によって非ゼロの有効三軸歪みを維持できるか。その結果、連続的重力波放射が可能になるか。
• RQ2 ミリ秒パルサーのタイミング測定が、最大の可能 ε_eff と固体コアの存在に与える制約は何か。
• RQ3 重力波減衰 timescale が、前進または揺れ動く中性子星からの連続信号の検出可能性に与える影響は何か。
• RQ4 中性子星に固体コアが存在し、タイミング観測と矛盾しない状態で、検出可能な重力波放射を継続的に発生させる条件は何か。
• RQ5 LIGO/Virgo 観測の文脈において、なぜ皮膚由来の歪みがコアの前進運動よりも検出可能性に有利なのか。

主な発見

• 皮膚の『マウント』が、パルサータイミング制約に反しない安定で長期間にわたる非対称性を維持できるため、非ゼロ ε_eff の最も現実的な源である。
• 固体コアが存在する場合、タイミングデータと整合させるためには、揺れ角が極めて小さく（θ ~ 10⁻³ 以下）なる必要がある。このため、ミリ秒パルサーではそのような状態は極めてまれである。
• ミリ秒パルサーでは、タイミング精度（Ṗ < 10⁻¹⁹ s/s）を満たすため、ε_eff は ≤ 10⁻⁹ に制限される。これにより、検出可能な重力波振幅が制限される。
• 重力波減衰 timescale τ_wobble^GR ~ 10³ × (bε̂/10⁻⁶)⁻² × (P/1 ms)⁻⁴ 年は、長時間積分のためには数年以上にのばす必要がある。この点で、皮膚のマウントはコアの前進運動よりも有利である。
• 保守的仮定（θ = 10⁻³）のもとで、カブのパルサーの ε_eff は約10⁻¹⁰ と推定されるが、ミリ秒パルサーでは皮膚のマウントが存在する場合、ε_eff ~ 10⁻⁹ に達する可能性がある。
• 理論的モデルは、臨界ひずみが小さい（ケースa）場合に限り、ミリ秒パルサーが高い ε_eff を維持できると示唆している。臨界ひずみが大きい（ケースb）と、ε_eff は3桁以上低下する。