[论文解读] Centrifugal buoyancy as a mechanism for neutron star glitches

Brandon Carter, David Langlois+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2000

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 8

一句话总结

本文提出，中子星超流核心中的差速旋转会导致离心浮力亏损，从而产生与涡旋钉扎相当的壳层应力，为中子星跳变提供一种可行的替代机制。研究表明，即使没有涡旋钉扎，向外的浮力力也能驱动大尺度应力释放，解释像Vela这样的脉冲星中观测到的跳变幅度。

ABSTRACT

The frequent glitches (sudden increases of the apparent angular velocity) observed in certain pulsars are generally believed to be attributable to discontinuous angular momentum transfer to the outer neutron star crust from a differentially rotating superfluid layer, but the precise mechanism is not quite elucidated. Most explanations invoke vortex pinning as the essential mechanism responsible for the build up of strain in the crust that is relaxed, either by fracture of the solid structure or by discontinous unpinning, during the glitch. It is shown here that there is another mechanism that could give rise to strain, and subsequent fracture, of the solid crust, even if vortex pinning is ineffective: this is the effective force arising from the deficit of centrifugal buoyancy that will be present whenever there is differential rotation. This centrifugal buoyancy deficit force will be comparable in order of magnitude, but opposite in direction, to the force that would arise from vortex pinning if it were effective.

研究动机与目标

• 研究超越涡旋钉扎的中子星跳变替代机制。
• 研究离心浮力力在差速旋转过程中产生壳层应力的作用。
• 评估仅靠浮力亏损是否足以产生足以解释像Vela这样的脉冲星中大跳变的应力。
• 比较浮力亏损与涡旋钉扎产生的应力力的大小和方向。
• 评估当钉扎失效时，浮力力在跳变机制中是否可能占主导地位。

提出的方法

• 分析具有超流核心和固态壳层的中子星中静止的差速旋转构型。
• 利用公式 $ f_{\rm b}^{\,i} = \rho_{\rm c} (\Omega_{\rm n} - \Omega) \Omega_{\rm n} \nabla^{i} \varpi^{2} $ 推导离心浮力亏损产生的有效力，其中 $ \rho_{\rm c} $ 为壳层密度。
• 将浮力亏损力与涡旋钉扎产生的乔科夫斯基-马格努斯力进行比较，表明二者方向相反但大小相近。
• 评估化学势过剩力 ($ f_{\rm x}^{\,i} $) 的作用，并在特定条件下假设其贡献可忽略。
• 使用应力力密度公式 $ f_{\rm s}^{\,i} = f_{\rm b}^{\,i} + f_{\rm x}^{\,i} $ 来建模钉扎失效时的壳层应力。
• 利用典型中子星参数评估力的数量级，包括 $ \rho_{\rm c} \sim \rho_{\rm n} \sim 10^{13} \, \text{g/cm}^3 $。

实验结果

研究问题

• RQ1 离心浮力亏损能否在中子星中产生与涡旋钉扎相当的壳层应力？
• RQ2 在差速旋转的中子星中，离心浮力亏损的缺失所引起的有效力的大小和方向为何？
• RQ3 浮力亏损机制与涡旋钉扎机制在解释跳变幅度方面如何定量比较？
• RQ4 在何种条件下浮力机制可在应力生成中占主导地位？
• RQ5 化学势过剩力在改变壳层应力分布中起什么作用？

主要发现

• 离心浮力亏损力 $ f_{\rm b}^{\,i} = \rho_{\rm c} (\Omega_{\rm n} - \Omega) \Omega_{\rm n} \nabla^{i} \varpi^{2} $ 可在壳层中产生向外的应力，与涡旋钉扎产生的向内力相反。
• 当化学势过剩力可忽略时，浮力亏损产生的应力 $ f_{\rm s}^{\,i} \simeq f_{\rm b}^{\,i} $ 与涡旋钉扎产生的应力 $ f_{\rm s}^{\,i} \simeq -f_{\rm J}^{\,i} $ 大小在同一数量级，尽管方向相反。
• 浮力驱动的应力大小与钉扎产生的应力相当，且在 $ \rho_{\rm c} \sim \rho_{\rm n} \sim 10^{13} \, \text{g/cm}^3 $ 条件下，表明其物理上的合理性。
• 本文结论认为，Vela型脉冲星中观测到的大跳变幅度并不唯一暗示存在涡旋钉扎，因为仅靠浮力亏损就足以产生类似的应力水平。
• 先前模型中忽略离心浮力效应是不合理的，尤其是在埃克曼抽吸因低粘度而失效的情况下。
• 浮力亏损机制为解释跳变中角动量的不连续释放提供了一种此前被忽视但切实可行的替代方案。