[论文解读] Instability of neutron star matter in high magnetic field: constraint on central magnetic field of magnetars

Monika Sinha, Banibrata Mukhopadhyay|arXiv (Cornell University)|May 27, 2010

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 1

一句话总结

本研究利用非线性Boguta-Bodmer-Walecka模型，研究了在极端磁场下中子星物质的稳定性，发现当中心磁场超过约10^19 G时，超核物质因平行压强对密度的导数为负而变得不稳定，从而对磁星内部均匀分布的内磁场施加了临界上限。

ABSTRACT

Compact stars with strong magnetic fields (magnetars) have been observationally determined to have surface magnetic fields of order of 10^{14}-10^{15} G, the implied internal field strength being several orders larger. We study the equation of state and composition of dense hypernuclear matter in strong magnetic fields in a range expected in the interiors of magnetars. Within the non-linear Boguta-Bodmer-Walecka model we find that the magnetic field has sizable influence on the properties of matter for central magnetic field B \ge 10^{17} G, in particular the matter properties become anisotropic. Moreover, for the central fields B \ge 10^{18} G, the magnetized hypernuclear matter shows instability, which is signaled by the negative sign of the derivative of the pressure parallel to the field with respect to the density, and leads to vanishing parallel pressure at the critical value B_{ m cr} \simeq 10^{19} G. This limits the range of admissible homogeneously distributed fields in magnetars to fields below the critical value B_{ m cr}.

研究动机与目标

• 研究与磁星内部相关的强磁场下致密超核物质的状态方程和组成。
• 评估磁场强度超过10^17 G时对物质性质的影响，特别是各向异性和稳定性。
• 确定磁星中稳定且均匀分布的物质所能承受的最大中心磁场值。

提出的方法

• 采用非线性Boguta-Bodmer-Walecka模型描述强磁场下的超核物质。
• 计算平行于磁场和垂直于磁场的压强分量及其状态方程。
• 通过评估平行压强对重子密度的导数来检测不稳定性。
• 利用数值分析确定平行压强消失时的临界磁场值。
• 评估不稳定性对磁星内部磁场分布的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种磁场强度下，磁星中的超核物质会因磁场效应而变得不稳定？
• RQ2 磁场如何影响致密中子星核心中物质性质的各向异性？
• RQ3 当平行压强对密度的导数变为负值时，临界磁场值是多少，这标志着不稳定性？
• RQ4 磁星中均匀分布的磁场能否超过10^19 G而不引发不稳定性？
• RQ5 物质不稳定性对磁星最大中心磁场值施加了何种约束？

主要发现

• 10^17 G或更高的磁场显著影响超核物质的性质，导致其状态方程出现各向异性。
• 当中心磁场≥10^18 G时，物质表现出不稳定性，表现为平行压强对密度的导数为负。
• 不稳定性发生的临界磁场约为10^19 G，此时平行压强消失。
• 此临界值B_cr ≈ 10^19 G，为磁星内部均匀分布磁场强度设定了上限。
• 磁星无法在不发生不稳定的前提下维持超过约10^19 G的中心磁场均匀分布状态。