[论文解读] Fall-back crust around a quark-nova compact remnant I: The degenerate shell case with applications to SGRs, AXPs and XDINs

Rachid Ouyed, D. A. Leahy+1 more|Aug 24, 2006

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 36被引用 18

一句话总结

本文提出，软伽马射线重复暴（SGRs）和异常X射线脉冲星（AXPs）的能量来源于由夸克星磁场支撑的简并铁富集壳层构成的夸克新星遗迹。随着磁场衰减，壳层向内漂移，碎片落向夸克星，释放能量形成爆发；该模型可解释多种观测特征，包括爆发类型、自转加速/减速循环、铁线以及X射线/红外相关性。

ABSTRACT

We explore the formation and evolution of debris ejected around quark stars in the Quark Nova scenario, and the application to Soft Gamma-ray Repeaters (SGRs) and Anomolous X-ray Pulsars (AXPs). If an isolated neutron star explodes as a Quark Nova, an Iron-rich shell of degenerate matter forms out of the fall-back (crust) material. Our model can account for many of the observed features of SGRs and AXPs such as: (i) the two types of bursts (giant and regular); (ii) the spin-up and spin-down episodes during and following the bursts with associated persistant increases in $\dot{P}$; (iii) the energetics of the boxing day burst, SGR1806$+$20; (iv) the presence of an Iron line as observed in SGR1900$+$14; (v) the correlation between the far-Infrared and the X-ray fluxes during the bursting episode and the quiescent phase; (vi) the hard X-ray component observed in SGRs during the giant bursts, and (vii) the discrepancy between the ages of SGRs/AXPs and their supernova remnants. We also find a natural evolutionary relationship between SGRs and AXPs in our model which predicts that only the youngest SGRs/AXPs are most likely to exhibit strong bursting. Many features of X-ray Dim Isolated Neutron stars (XDINs) are also accounted for in our model such as, (i) the two-component blackbody spectra; (ii) the absorption lines around 300 eV; and (iii) the excess optical emission.

研究动机与目标

• 通过夸克新星遗迹模型解释SGRs和AXPs中重复爆发与巨大爆发的起源。
• 通过将SGRs/AXPs与夸克新星事件关联，解决其与超新星遗迹之间存在的年龄不一致问题。
• 解释X射线暗淡孤立中子星（XDINs）的光谱特征，包括黑体成分、吸收线及光学过量。
• 基于年龄与壳层演化，建立SGRs至AXPs再到XDINs的自然演化序列。
• 提供通过磁场耦合壳层动力学实现爆发能量与自转演化变化的物理解释机制。

提出的方法

• 模拟夸克新星爆发后，中子星地壳物质形成简并铁富集壳层的过程。
• 应用螺旋机制与磁压约束，维持围绕夸克星的锁相壳层。
• 利用磁场衰减与夸克星周期的关联（基于Niebergal et al. 2006），驱动壳层向内漂移。
• 模拟在中性线以上碎片脱离，此时磁场与引力场对齐，促进吸积与能量释放。
• 利用下落壳层物质转化为夸克物质的能量转换机制估算爆发能量（Lugones & Horvath 2002）。
• 推导静默期的光度-自转减速率关系，并通过立体角与散射关系将光学过量与壳层几何结构关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过单一物理机制解释SGRs/AXPs中两类爆发（常规与巨大）的行为？
• RQ2 爆发活动期间观测到的自转加速与自转减速现象由何引起？
• RQ3 为何爆发与静默期中X射线与红外观测流量存在相关性？
• RQ4 巨大耀发中观测到的硬X射线谱与铁K-α线如何产生？
• RQ5 X射线暗淡孤立中子星（XDINs）的光谱特征与光学过量现象如何解释？

主要发现

• 该模型通过磁约束壳层的碎片吸积，解释了SGRs/AXPs中两类爆发行为。
• 观测到的爆发期间自转加速与自转减速源于碎片吸积过程中的角动量转移与磁制动作用。
• X射线与红外流量的相关性可通过壳层将X射线辐射再处理为热辐射而自然解释。
• 巨大耀发中的硬X射线成分源于下落壳层物质转化为CFL夸克物质过程中释放的高能辐射。
• SGR1900+14中观测到的铁K-α线被重现为铁富集壳层的光球特征。
• 对RX J1856.5-3754等XDINs的光学过量，模型预测的壳层所张立体角对应的辐射通量约为黑体尾部通量的7倍，与观测到的过量因子5–7一致。