[论文解读] Keplerian frequencies and innermost stable circular orbits of rapidly rotating strange stars

Nikolaos Stergioulas, W. Kluźniak+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 1999

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 4

一句话总结

本文利用广义相对论模型研究了快速旋转奇异星中的开普勒频率和最内层稳定圆轨道（ISCO）。研究发现，对于接近质量抛射极限的1.3 M☉奇异星，ISCO频率可低至0.9 kHz——低于4U 1820-30中观测到的1.066 kHz截止值，表明奇异星作为低质量X射线双星的候选天体是可行的，且不与当前的kHz QPO观测结果矛盾。

ABSTRACT

It has been suggested that the frequency in the co-rotating innermost stable circular orbit (ISCO) about a compact stellar remnant can be determined through X-ray observations of low-mass X-ray binaries, and that its value can be used to constrain the equation of state of ultradense matter. Upon constructing numerical models of rapidly rotating strange (quark) stars in general relativity, we find that for stars rotating at the equatorial mass-shedding limit, the ISCO is indeed above the stellar surface, for a wide range of central energy densities at a height equal to 11% of the circumferential stellar radius, which scales inversely with the square root of the energy density, of self-bound quark matter at zero presure. In contrast to static stars, the ISCO frequencies of rapidly rotating strange stars can be as low as 0.9 kHz for a 1.3 solar mass strange star. Hence, the presence of strange stars in low-mass X-ray binaries cannot be excluded on the basis of the currently observed frequencies of kHz QPOs, such as the cut-off frequency of 1066 Hz in 4U 1820-30.

研究动机与目标

• 确定快速旋转奇异星是否能产生与低质量X射线双星中观测到的kHz QPO一致的ISCO频率。
• 通过分析广义相对论下ISCO的性质，评估奇异星作为LXMB中致密残骸候选体的可行性。
• 探讨旋转以及自束缚夸克物质的状态方程如何影响ISCO频率及其相对于恒星表面的位置。
• 评估当前观测约束（如4U 1820-30中的1066 Hz截止值）是否排除奇异星作为致密天体候选体的可能性。

提出的方法

• 利用广义相对论和自束缚夸克物质的现实状态方程，构建了快速旋转奇异星的数值模型。
• 计算了在质量抛射极限下（即赤道处离心力与引力平衡）旋转星体在共转参考系中的ISCO半径和频率。
• 追踪了ISCO位置相对于恒星表面的变化，其变化与能量密度平方根成反比，随中心能量密度变化。
• 采用周向半径作为参考尺度，研究模型中ISCO位于该半径的11%处。
• 评估了ISCO频率对恒星质量和旋转速率的依赖性，重点关注1.3 M☉配置。
• 将ISCO频率与观测到的kHz QPO截止值进行比较，特别是4U 1820-30中的1066 Hz，以检验与奇异星模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 快速旋转奇异星能否产生足够低的ISCO频率，以与4U 1820-30中观测到的1066 Hz截止值一致？
• RQ2 在奇异星中，旋转如何影响ISCO相对于恒星表面的位置和频率？
• RQ3 在质量抛射极限下，旋转奇异星的ISCO是否位于恒星表面之上，从而确保吸积盘动力学的稳定性？
• RQ4 奇异星的ISCO频率在多大程度上落在低质量X射线双星中观测到的kHz QPO范围内？
• RQ5 自束缚夸克物质的状态方程（以中心能量密度参数化）是否会影响通过ISCO频率测量探测奇异星的可能性？

主要发现

• 对于接近质量抛射极限的快速旋转奇异星，ISCO位于恒星表面之上，ISCO半径约为周向恒星半径的11%。
• 1.3 M☉奇异星的ISCO频率可低至0.9 kHz，显著低于4U 1820-30中观测到的1.066 kHz截止值。
• 这一低ISCO频率表明，基于当前kHz QPO数据，奇异星并未被排除在低质量X射线双星中致密天体候选体之外。
• ISCO频率与自束缚夸克物质中心能量密度的平方根成反比，表明其对状态方程具有强依赖性。
• 结果表明，与非旋转配置相比，旋转显著降低了ISCO频率，从而增强了通过X射线测时探测奇异星的可能性。
• 本研究证实，旋转奇异星的广义相对论模型可产生与观测一致的ISCO特性，支持其天体物理上的合理性。