[论文解读] Highly magnetized white dwarfs: Implications and current status

Banibrata Mukhopadhyay, Mukul Bhattacharya+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 3被引用 1

一句话总结

本文提出，具有高达10^14 G磁场的强磁化白矮星（B-WDs）由于磁场引起的物态方程修改，可超过钱德拉塞卡质量极限，实现超钱德拉塞卡质量（约1.87 M⊙）。通过解析模型与STARS恒星演化模拟，研究显示这些恒星源自磁化主序星，内部磁场以环向分量为主导，是超亮Ia型超新星、软伽马射电暴源（SGRs）、异常X射线脉星（AXPs）以及可由LISA探测的引力波源的可行候选体。

ABSTRACT

Over the last decade or so, we have been developing the possible existence of highly magnetized white dwarfs with analytical stellar structure models. While the primary aim was to explain the nature of the peculiar overluminous type Ia supernovae, later on, these magnetized stars were found to have even wider ranging implications including those for white dwarf pulsars, soft gamma-ray repeaters and anomalous X-ray pulsars, as well as gravitational radiation. In particular, we have explored in detail the mass-radius relations for these magnetized stars and showed that they can be significantly different from the Chandrasekhar predictions which essentially leads to a new super-Chandrasekhar mass-limit. Recently, using the stellar evolution code STARS, we have successfully modelled their formation and cooling evolution directly from the magnetized main sequence progenitor stars. Here we briefly discuss all these findings and conclude with their current status in the scientific community.

研究动机与目标

• 调查高度磁化的白矮星（B-WDs）是否存在并稳定，且其质量超过钱德拉塞卡质量极限。
• 解释质量高达2.8 M⊙的前身星无法用标准模型解释的超亮Ia型超新星的起源。
• 探讨B-WDs对软伽马射电暴源（SGRs）、异常X射线脉星（AXPs）以及引力波辐射的潜在影响。
• 利用STARS恒星演化代码模拟B-WDs从磁化主序星形成及冷却演化过程。
• 评估B-WDs通过LISA等引力波探测器以及未来任务如爱因斯坦望远镜和DECIGO/BBO的可探测性。

提出的方法

• 在牛顿和广义相对论形式下，为磁化白矮星开发解析恒星结构模型，纳入强磁场引起的物态方程修正。
• 使用STARS恒星演化代码模拟磁化主序星演化为B-WDs的过程，求解与结构和成分方程耦合的磁感应强度演化对流-扩散方程。
• 模拟极向与环向磁场分量的演化，表明环向主导的磁场在结构上稳定，且中心磁场值可比表面磁场高几个数量级。
• 基于引力收缩过程中磁通量守恒，应用磁通冻结理论，估算初始种子磁场（~10^8 G）在半径约1000 km的致密白矮星中可增强至~10^14 G。
• 利用XNS代码计算广义相对论下的轴对称平衡构型，模拟旋转、形变的B-WDs的引力波辐射，通过四极矩和偶极辐射公式推导辐射亮度。
• 计算LISA、爱因斯坦望远镜和DECIGO/BBO的引力波振幅与信噪比（S/N），假设距离为100 pc，并进行为期一年的积分。

实验结果

研究问题

• RQ1 白矮星中的强磁场是否可导致其质量超过标准钱德拉塞卡极限？
• RQ2 高度磁化白矮星中磁场的起源与内部构型为何？其在恒星演化过程中如何演化？
• RQ3 B-WDs能否解释质量高达2.8 M⊙的前身星所导致的观测到的超亮Ia型超新星特性？
• RQ4 B-WDs在多大程度上可发射被空间探测器（如LISA）探测到的引力波？
• RQ5 在脉动、旋转的B-WDs中，磁偶极辐射与引力波辐射亮度如何共同演化？其时间尺度如何？

主要发现

• 磁场在10^6–10^14 G范围内的B-WDs可达到约1.87 M⊙的质量，显著超过标准钱德拉塞卡极限（约1.4 M⊙）。
• 使用STARS代码的数值模拟证实，B-WDs的中心磁场以环向分量为主导，而表面磁场主要为偶极型，中心磁场可能比表面磁场强几个数量级。
• 通过引力收缩过程中的磁通冻结机制，可将初始种子磁场（~10^8 G）放大至~10^14 G，支持其为化石磁场起源。
• 由于磁场衰减，B-WDs本身非常暗淡，难以直接观测，因此极为稀少，作为超钱德拉塞卡天体的寿命估计为~10^5–10^6年。
• 旋转的B-WDs可发射可探测的引力波，LISA在一年积分后有望探测到此类信号，而地面探测器如LIGO由于频率较低且尺寸较大，难以探测孤立白矮星。
• 磁偶极辐射与引力波辐射的共同作用驱动自转频率与磁场倾角的演化，两种机制均对B-WDs的自转减慢及最终“脉星死亡”起关键作用。