[论文解读] Deconfinement transition in rotating compact stars

E. V. Chubarian, H. Grigorian+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 1999

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

一句话总结

本文利用轴对称系统的广义相对论微扰理论，研究了旋转中子星中的禁闭相变。研究结果表明，自转减慢演化可能导致夸克物质核心的形成，可通过脉冲星刹车指数偏离 n=3 来探测，并提出由于质量吸积引发的自转减慢到自转加快的转变，可作为此类相变的特征信号。

ABSTRACT

Using the formalism of general relativity for axially symmetric gravitational fields and their sources - rotating compact stars - a perturbation theory with respect to angular velocity is developed and physical quantities such as mass, shape, momentum of inertia and total energy of the star are defined. The change of the internal structure of the star due to rotation has been investigated and the different contributions to the moment of inertia have been evaluated separately. Numerical solutions have been performed using a two-flavor model equation of state describing the deconfinement phase transition as constrained by the conservation of total baryon number and electric charge. During the spin down evolution of the rotating neutron star, below critical values of angular velocity a quark matter core can appear which might be detected as a characteristic signal in the pulsar timing. Within the spin-down scenario due to magnetic dipole radiation it is shown that the deviation of the braking index from $n=3$ could signal not only the occurrence but also the size of a quark core in the pulsar. A new scenario is proposed where, due to mass accretion onto the rapidly rotating compact star, a spin-down to spin-up transition might signal a deconfinement transition in its interior.

研究动机与目标

• 使用广义相对论建模旋转致密星的内部结构和物理特性。
• 研究旋转如何影响中子星的转动惯量、质量、形状和总能量。
• 探索在自转减慢演化过程中，发生夸克物质禁闭相变的条件。
• 识别可观测特征——如刹车指数偏差或自转加快转变——以指示夸克核心的存在。
• 提出一种新颖的探测情景：通过质量吸积引发的自转加快，作为禁闭相变的信号。

提出的方法

• 为轴对称引力场在广义相对论中发展了角速度的微扰理论。
• 采用受重子数和电荷守恒约束的两味夸克物质状态方程。
• 数值求解爱因斯坦场方程，以计算旋转下的恒星结构参数。
• 追踪由于磁偶极辐射引起的中子星自转减慢演化，以评估核心形成的临界条件。
• 分别分析转动惯量的贡献，以分离相变的影响。
• 提出一种由质量吸积触发的自转减慢到自转加快转变情景，作为禁闭相变的潜在信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 刹车指数偏离 n=3 是否可作为夸克物质核心存在及其大小的信号？
• RQ2 在何种临界角速度下，旋转中子星中的禁闭相变在能量上变得有利？
• RQ3 旋转如何影响致密星的转动惯量和总能量？
• RQ4 由于质量吸积引发的自转减慢到自转加快转变，能否作为禁闭相变的可探测特征信号？
• RQ5 在向夸克物质转变过程中，恒星内部的结构和动力学特性如何变化？

主要发现

• 在自转减慢演化过程中，刹车指数偏离 n=3 可同时指示夸克物质核心的形成及其大小。
• 在临界角速度以下，旋转中子星中可形成夸克物质核心，可通过计时残差探测。
• 数值解表明，禁闭相变显著改变转动惯量，且强子相与夸克相的贡献具有明显差异。
• 提出由质量吸积引发的自转减慢到自转加快转变，作为禁闭相变的新型观测特征信号。
• 具有守恒重子数和电荷的两味状态方程支持在旋转效应下形成夸克核心。
• 该模型预测旋转和相变会导致恒星形状与总能量的可测量变化，且与广义相对论约束一致。