[论文解读] Fast rotation of strange stars

Éric Gourgoulhon, P. Haensel+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 1999

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用 31

一句话总结

本文提出了一类基于广义相对论的均匀旋转奇异星精确模型，采用一种新颖的多区域谱方法，精确处理恒星表面处强烈的密度不连续性。该研究推导出奇异星最大旋转频率、质量与半径与袋常数之间的精确解析关系，结果表明快速旋转的奇异星具有显著高于中子星的T/W比值，暗示其对三轴不稳定性具有更高的敏感性。

ABSTRACT

Exact models of uniformly rotating strange stars, built of self bound quark matter, are calculated within the framework of general relativity. This is made possible thanks to a new numerical technique capable to handle the strong density discontinuity at the surface of these stars. Numerical calculations are done for a simple MIT bag model equation of state of strange quark matter. Evolutionary sequences of models of rotating strange stars at constant baryon mass are calculated. Maximally rotating configurations of strange stars are determined, assuming that the rotation frequency is limited by the mass shedding and the secular instability with respect to axisymmetric perturbations. Exact formulae which give the dependence of the maximum rotation frequency, and of the maximum mass and corresponding radius of rotating configurations, on the value of the bag constant, are obtained. The values of T/W for rapidly rotating massive strange stars are significantly higher than those for ordinary neutron stars. This might indicate particular susceptibility of rapidly rotating strange stars to triaxial instabilities.

研究动机与目标

• 开发均匀旋转奇异星在广义相对论下的精确数值模型，克服慢速旋转近似的局限性。
• 准确处理奇异星表面处强烈的密度不连续性，该问题在标准数值方法中难以处理。
• 针对给定的袋常数，使用精确方法确定奇异星的最大旋转频率、质量与半径。
• 通过分析T/W比值，评估快速旋转奇异星发生三轴不稳定性的可能性。
• 利用内部误差估计器和标度关系验证数值方法的精度。

提出的方法

• 采用Bonazzola等人（1998b）提出的多区域谱方法，高精度求解旋转奇异星的爱因斯坦场方程。
• 该方法通过在多个区域使用自适应非均匀网格，实现对恒星表面密度不连续性的精确处理。
• 方程状态基于MIT袋模型，仅含一个参数——袋常数B，假设u夸克和d夸克质量为零，奇异夸克质量固定。
• 在恒定重子质量下计算旋转奇异星的演化序列，以追踪结构参数随旋转的变化。
• 最大旋转频率通过质量抛射极限和轴对称长期不稳定性判据确定。
• 通过测试不同袋常数下极端构型的标度关系，验证数值精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 奇异星的最大旋转频率在袋常数的函数下精确表达为何？
• RQ2 旋转奇异星的最大质量与半径如何随袋常数变化？
• RQ3 快速旋转的高质量奇异星的T/W比值与中子星相比如何？这对稳定性有何含义？
• RQ4 多区域谱方法能否准确模拟奇异星中强烈的表面密度不连续性？
• RQ5 在精确数值处理下，不同袋常数下极端构型的标度关系是否成立？

主要发现

• 奇异星的最大旋转频率随袋常数减小而增加，且已推导出该依赖关系的精确解析公式。
• 旋转奇异星的最大质量与半径被发现与袋常数精确成比例，证实了在精确处理下标度律的成立。
• 快速旋转的高质量奇异星的T/W比值显著高于中子星，表明其对三轴不稳定性更具敏感性。
• 数值方法达到高精度，通过内部误差估计器及不同袋常数下的标度关系一致性得到验证。
• 结果证实奇异星不受r模不稳定性影响，因此在形成后可维持极高的旋转速率。
• 该方法可扩展至包含壳层的模型，但因复杂度增加，本文未计算此类构型。