[论文解读] Magnetic Field Decay and Period Evolution of Anomalous X-Ray Pulsars in the Context of Quark Stars

Brian Niebergal, Rachid Ouyed+1 more|CERN Bulletin|Mar 27, 2006

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 8

一句话总结

本文提出，异常X射线脉冲星（AXPs）和软伽马射电重复暴源（SGRs）是颜色-味锁（CFL）夸克星，其磁场通过涡旋排出而衰减，使周期和场强在5×10⁵–5×10⁷年内保持在两倍以内。该模型将射电宁静孤立中子星（RQINSs）的观测周期聚集现象解释为高致密性所致，磁场衰减降低了自转减速率，与RQINS观测在P–Ṗ图上一致。

ABSTRACT

We discuss a model wherein soft gamma-ray repeaters (SGRs), anomalous X-ray pulsars (AXPs), and radio quiet isolated neutron stars (RQINSs) are all compact objects exhibiting superconductivity, namely color-flavor locked quark stars. In particular we calculate the magnetic field decay due to the expulsion of spin-induced vortices from the star's superfluid-superconducting interior, and the resultant spin-down rate. We find that, for initial parameters characteristic of AXPs/SGRs ($10^{13}<b></b>

研究动机与目标

• 在夸克星框架内解释AXPs和SGRs的长期磁场与周期演化。
• 通过致密性和磁场衰减解释射电宁静孤立中子星（RQINSs）中观测到的周期聚集现象。
• 证明初始参数为AXP/SGR（B ~ 10¹³–10¹⁴ G，P ~ 3–12 s）的夸克星可在5×10⁵–5×10⁷年内维持稳定周期与磁场。
• 表明RQINS中无射电脉动的现象在夸克星模型中可自然由磁场对齐与衰减解释。
• 将RQINS的P–Ṗ图行为与经历涡旋介导磁场衰减的夸克星演化轨迹联系起来。

提出的方法

• 将夸克星建模为超导-超流CFL相，其中磁场被限制在与自旋轴对齐的旋转感应涡旋中。
• 应用迈斯纳效应模拟恒星自转减速过程中核心磁场的排出，导致通过涡旋重连实现磁场衰减。
• 使用偶极磁场制动与涡旋排出推导周期演化与磁场衰减速率，关键方程来自式3，用于建模周期导数。
• 对质量M = 1 M⊙、半径R = 10 km、初始周期P = 5 s的夸克星，在不同初始B场下模拟P–Ṗ图上的演化轨迹。
• 通过比较不同恒星半径下的周期演化，评估致密性的作用，表明仅高度致密的恒星能维持长达10⁶年的周期聚集。
• 将模型预测与观测的RQINS数据（包括ẆP的上限与推断的场强）进行比较，验证其与夸克星演化的自洽性。

实验结果

研究问题

• RQ1 AXPs/SGRs的磁场衰减与周期演化能否通过CFL夸克星中的涡旋排出机制解释？
• RQ2 为何RQINSs表现出周期聚集？这能否通过夸克星的致密性与磁场衰减解释？
• RQ3 RQINSs的观测P–Ṗ参数如何与具有AXP/SGR前身条件的夸克星演化轨迹相关联？
• RQ4 致密性在维持长达10⁶年时间尺度的周期聚集中起何作用？
• RQ5 为何在RQINSs中未观测到射电脉动？这能否通过夸克星中磁场对齐与衰减解释？

主要发现

• 初始磁场为10¹³–10¹⁴ G、周期为3–12 s的AXPs/SGRs在夸克星模型中，其磁场与周期在5×10⁵–5×10⁷年内可保持在两倍以内。
• 通过涡旋排出实现的磁场衰减降低了自转减速率，从而在长时间尺度上维持周期聚集。
• 仅高度致密的夸克星（R = 10 km）能维持长达10⁶年的周期聚集，因为更高的致密性提高了每涡旋的磁场能量密度，增强了磁场排出效率。
• 观测到的RQINS源RXJ0720.4-3125与一个年龄约5×10⁵年的夸克星一致，初始场强约10¹⁴ G，其观测周期P = 8.391 s与ẆP ~ 1.5×10⁻¹³ s⁻¹相符。
• 两个具有ẆP上限的RQINSs（Pons et al. 2005）与夸克星模型一致，表明初始场强≤10¹⁵ G，最小年龄约10⁴年。
• P–Ṗ图显示，经历涡旋介导磁场衰减的夸克星演化轨迹自然再现了RQINSs的观测参数，支持该模型作为其起源的合理解释。