[论文解读] Meissner Effect and Vortex Dynamics in Quark Stars -- A Model for Soft Gamma-Ray Repeaters

Rachid Ouyed, Ø. Elgarøy+2 more|ArXiv.org|Aug 10, 2003

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 44被引用 21

一句话总结

本文提出，软伽马射线重复暴（SGRs）起源于经历相变至颜色-味锁（CFL）超导态的夸克星，该相变在临界温度以下发生，引发迈斯纳效应，将部分表面磁场排出。该磁场排出过程通过磁重联和随后的电子-正电子对湮灭引发巨大的伽马射线暴，随后由涡旋晶格重排和表面涡旋湮灭引发较弱的爆发，从而解释SGRs的亮度和活动周期。

ABSTRACT

We present a new model for soft gamma-ray repeaters based on a quark star born with temperatures above the critical value (T_c) for the onset of the colour-flavor locked superconductivity. The quark star then quickly cools below T_c, expelling a fraction of the surface magnetic field via the Meissner effect. We show that if a small fraction (\leq 10%) of the surface magnetic field (10^{14} - 10^{15} { m G}) is expelled, it quickly decays via magnetic reconnection and heats up the quark star surface to temperatures > 10^9 { m K}. Created (e^{+},e^{-}) pairs annihilate into gamma rays emitted in a giant burst (the first burst in our model), with a luminosity of \sim 10^{45} { m ergs} { m s}^{-1}. Subsequent bursts result from the restructuring of the surface magnetic field following the formation and relaxation of a vortex lattice which confines the internal magnetic field. During this phase, energy is sporadically released as a consequence of magnetic reconnection events in the entangled surface magnetic field as it evolves into a smooth, more stable, configuration. The star eventually enters a quiescent phase in which energy is continuously supplied by vortex annihilation at the surface. As the star spins down, the outermost vortex lines will be pushed to the surface where they annihilate and release their confined magnetic field. We show that the corresponding luminosity is L_v \sim 10^{36} { m ergs} { m s}^{-1} for a typical soft gamma-ray repeater spinning with a period of 8 { m s} and a surface magnetic field not exceeding 10^{15} { m G}. Our model can be applied to any situation where a T>T_{ m c} quark star is generated. We discuss the connection between anomalous X-ray pulsars and soft gamma-ray repeaters in the context of our model.

研究动机与目标

• 通过涉及夸克星相变的新机制，解释软伽马射线重复暴（SGRs）中巨爆发的起源。
• 在不依赖中子星壳层应力的前提下，解决SGRs和异常X射线脉冲星（AXPs）中高能爆发与持续X射线辐射的谜题。
• 将从高温正常夸克星向CFL超导态的转变建模为初始和重复SGR活动的来源。
• 通过涡旋动力学和磁场弛豫，解释SGR爆发的观测亮度和时标，包括宁静期发射。
• 阐明在夸克星演化和磁场行为背景下，SGRs与AXPs之间的区别。

提出的方法

• 在CFL超导临界温度 $T_c \sim 10^{12}$ K以上，对新形成的夸克星进行冷却建模，利用Haensel（1991）的中微子发射率估算冷却时标。
• 在向CFL超导态相变期间应用迈斯纳效应，假设排出表面磁场的 $\leq 10\%$（$10^{14}-10^{15}$ G）。
• 模拟由此产生的磁重联和能量释放，计算爆发亮度（$\sim 10^{45}$ erg s$^{-1}$）和来自 $e^+e^-$ 对湮灭的温度演化。
• 建模涡旋晶格的形成与演化，以束缚剩余磁场，能量在晶格重排与弛豫过程中释放。
• 计算由表面涡旋湮灭产生的宁静期亮度，推导出对于自转周期 $P = 8$ s 且 $B \leq 10^{15}$ G 的恒星，$L_v \sim 10^{36}$ erg s$^{-1}$。
• 探索其他形成情景，包括由吸积或自转降速引发的后期相变，并评估其对横向速度和超新星遗迹（SNR）关联的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在夸克星中CFL超导态启动期间的迈斯纳效应能否解释SGRs中观测到的巨爆发？
• RQ2 SGRs中持续的宁静期X射线亮度的起源是什么？能否归因于恒星表面的涡旋湮灭？
• RQ3 初始磁场排出后，磁场构型如何演化？什么驱动了较弱爆发的重复发生？
• RQ4 在SGRs和AXPs中，哪些观测特征可将夸克星模型与标准磁星模型区分开来？
• RQ5 后期夸克物质形成能否解释部分SGRs与相关超新星遗迹之间观测到的位移？

主要发现

• 1979年3月5日SGR 0526-66的巨耀发可由迈斯纳效应排出表面磁场的 $\leq 10\%$ 解释，释放能量约 $\sim 1.3 \times 10^{44}$ erg，爆发峰值亮度 $\sim 1.6 \times 10^{45}$ erg s$^{-1}$。
• 初始爆发由磁重联和 $e^+e^-$ 对湮灭驱动，产生特征温度约为 $\sim 246$ keV 的软伽马射线暴。
• 后续较弱的爆发源于涡旋晶格弛豫至更稳定构型过程中表面磁场的重排。
• 宁静期亮度 $\sim 10^{36}$ erg s$^{-1}$ 由表面涡旋线的湮灭维持，其释放被束缚的磁通量，伴随恒星自转降速。
• 该模型预测仅因一次相变至CFL超导态而发生一次巨爆发，与这类事件的稀有性一致。
• 该模型将部分SGRs的高横向速度归因于夸克-强子相变期间各向异性的中微子发射，而非标准超新星反冲。