[论文解读] Effects of anisotropy on strongly magnetized neutron and strange quark stars in general relativity

Debabrata Deb, Banibrata Mukhopadhyay+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 152被引用 75

一句话总结

本研究在广义相对论框架下，利用包含各向异性压强的Tolman-Oppenheimer-Volkoff（TOV）方程，研究了各向异性、强磁场下的中子星和奇异夸克星。结果表明，横向磁场通过排斥性各向异性力增强质量与半径，而径向磁场则因吸引力作用而减小质量与半径；流体静力平衡要求同时考虑局部流体各向异性和磁场诱导的各向异性。

ABSTRACT

We investigate the properties of anisotropic, spherically symmetric compact stars, especially neutron stars and strange quark stars, made of strongly magnetized matter. The neutron stars are described by SLy equation of state, the strange quark stars by an equation of state based on the MIT Bag model. The stellar models are based on an a priori assumed density dependence of the magnetic field and thus anisotropy. Our study shows that not only the presence of a strong magnetic field and anisotropy, but also the orientation of the magnetic field itself, have an important influence on the physical properties of stars. Two possible magnetic field orientations are considered, a radial orientation, where the local magnetic fields point in the radial direction, and a transverse orientation, where the local magnetic fields are perpendicular to the radial direction. Interestingly, we find that for a transverse orientation of the magnetic field, the stars become more massive with increasing anisotropy and magnetic field strength and increase in size, since the repulsive, effective anisotropic force increases in this case. In the case of a radially orientated magnetic field, however, the masses and radii of the stars decrease with increasing magnetic field strength, because of the decreasing effective anisotropic force. Importantly, we also show that in order to achieve hydrostatic equilibrium configurations of magnetized matter, it is essential to account for both the local anisotropy effects as well as the anisotropy effects caused by a strong magnetic field. Otherwise, hydrostatic equilibrium is not achieved for magnetized stellar models.

研究动机与目标

• 研究强磁场与各向异性如何影响广义相对论中致密星的结构。
• 确定磁场取向（径向与横向）对恒星质量、半径与稳定性的影响。
• 解决长期以来关于磁场是否增加或减少致密星质量的争议。
• 通过同时考虑局部流体各向异性和磁场诱导各向异性，确保流体静力平衡。
• 通过磁流体静力稳定性分析，验证磁化各向异性星体模型的物理一致性。

提出的方法

• 采用SLy方程状态模型模拟中子星，采用MIT袋模型方程状态模型模拟奇异夸克星。
• 假设磁场强度随密度变化，且具有两种不同取向：沿径向方向与垂直于径向方向。
• 求解广义Tolman-Oppenheimer-Volkoff（TOV）方程，其中同时包含局部流体各向异性和磁场诱导各向异性。
• 计算中心密度、压强、质量、半径、表面红移及引力结合能等物理参数。
• 评估有效各向异性力及其在流体静力平衡中的作用，尤其在恒星中心区域。
• 执行磁流体静力稳定性分析，以确认模型的物理有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 强磁场的取向（径向与横向）如何影响各向异性致密星的质量与半径？
• RQ2 局部流体各向异性和磁场诱导各向异性共同作用对恒星平衡状态有何影响？
• RQ3 若仅考虑一种各向异性，能否在磁化致密星中实现流体静力平衡？
• RQ4 磁场与各向异性如何改变方程状态，以及表面红移与致密性等物理参数？
• RQ5 有效各向异性力在决定强磁场中子星与奇异夸克星的稳定性与结构中起何种作用？

主要发现

• 对于横向磁场，随着各向异性和磁场强度增强，由于存在排斥性有效各向异性力，质量与半径均增大。
• 对于径向磁场，随着磁场强度增强，质量与半径均减小，原因是有效各向异性力减小。
• 磁化致密星的最大质量可因磁场取向不同而增强或减弱，从而解决了长期存在的模糊性问题。
• 只有当同时考虑局部流体各向异性和磁场诱导各向异性时，磁化恒星的流体静力平衡才能实现。
• 恒星中心处的有效各向异性力非零，必须予以考虑，以避免受力不平衡与不稳定性。
• 即使在强磁场下，模型仍保持与球对称性一致，因为各向异性引起的偏离可忽略不计（较中心压强低80–81%）。