[论文解读] Fall-back crust around a quark-nova compact remnant II: The degenerate torus case with applications to AXPs

Rachid Ouyed, D. A. Leahy+1 more|ArXiv.org|Nov 3, 2006

High-pressure geophysics and materials被引用 3

一句话总结

本文提出，由夸克新星喷出物形成的退化、富含金属的环状结构可解释异常X射线脉冲星（AXPs）的关键观测特征，特别是1E2259+586和4U0142+615。该环状结构由磁场压力和角动量维持，经历缓慢吸积并因磁场渗透而引发X射线耀斑，重现了宁静期光度、黑体温度、耀斑光变曲线衰减特征以及自转减慢的跳变。该模型估算环状体质量约为~10⁻⁶ M☉，并推测4U0142+615的光学/红外辐射可能源自这一薄的退化环状结构。

ABSTRACT

In the first paper of this series we explored the case where a quark-nova ejecta forms a degenerate shell, supported by the star's magnetic field. Herein, we consider the case where the ejecta has sufficient angular momentum to form a Keplerian torus, and we show that the density and temperature of the torus are such that it will remain degenerate throughout it's lifetime. We go on to discuss the evolution of such a torus and apply it to two AXPs, namely 1E2259$+$586 and 4U0142$+$615. As it turns out, using our model we can account for many of the observations of these objects including the quiescent phase luminosity, and blackbody temperatures during quiescence and bursting phases. Furthermore, for 1E2259$+$586 our model explains the steep and slow decay components seen in the burst lightcurve, as well as the rotation period glitches and enhanced spin-down rate. We also estimate the mass of the degenerate torus to be of the order of $10^{-6}M_{\odot}$, and speculate that the observed optical/infrared emission from 4U0142$+$615 might be a signature of the thin degenerate torus we describe here.

研究动机与目标

• 研究当角动量阻止壳层形成时，由夸克新星喷出物形成的退化环状结构的形成与演化。
• 通过来自磁约束环状结构的吸积，解释AXPs（特别是1E2259+586和4U0142+615）的宁静期与耀斑X射线行为。
• 通过环状结构破裂与差速旋转，解释观测到的耀斑光变曲线衰减分量、自转减慢率增强与跳变。
• 估算环状结构的质量与热演化，并评估其相对于涡旋排出贡献的辐射。

提出的方法

• 利用角动量守恒建模环状结构在磁平衡半径处的形成，此时夸克星的磁压力与喷出物引力平衡。
• 应用喷气机制，当磁半径超过科罗利半径时，将喷出物偏转为薄的赤道环状结构。
• 通过能量平衡建模热演化：吸积光度加热环状结构，而侧面的黑体冷却占主导。
• 利用热速度与密度分布，通过非简并大气蒸发推导吸积率。
• 求解具有时间依赖温度演化的热容方程，结合简并物质的费米能与比热。
• 通过与质量、半径和温度相关的无量纲标度，估算热平衡温度与热演化 timescales。

实验结果

研究问题

• RQ1 由夸克新星喷出物形成的退化环状结构能否重现AXPs中观测到的宁静X射线光度与黑体温度？
• RQ2 磁场渗透至差速旋转环状结构内缘如何导致X射线耀斑行为？
• RQ3 该模型能否解释1E2259+586耀斑光变曲线中缓慢且陡峭的衰减分量？
• RQ4 在此框架下，1E2259+586等AXPs中观测到的自转减慢率增强与跳变由何原因引起？
• RQ5 4U0142+615的光学/红外辐射是否与薄退化环状结构的辐射一致？

主要发现

• 退化环状结构在约1/A timescale内达到热平衡，平衡温度约为0.52 keV，具体取决于吸积效率、磁场强度与环状体质量。
• 该模型通过环状结构大气吸积重现了1E2259+586和4U0142+615的宁静光度与黑体温度。
• 1E2259+586耀斑光变曲线中缓慢且陡峭的衰减分量，可通过高金属量环状结构在X射线照射下离子化分数的变化来解释。
• 自转减慢率增强与跳变归因于剪切力引起的差速旋转与环状结构破裂。
• 环状体质量估算为~10⁻⁶ M☉，与观测约束及环状结构稳定性一致。
• 该模型表明，在最老的AXPs中，环状结构的辐射可能超过磁涡旋排出的辐射，可能解释4U0142+615的光学/红外辐射。