[论文解读] Non-Identical Neutron Star Twins

Norman K. Glendenning, Christiane Kettner|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 1998

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 30

一句话总结

本文提出，由于致密物质中存在一阶相变，可能存在第三类稳定、致密的恒星——非相同中子星双星，其特征是中子星中的混合相被高密度夸克物质核心所取代。通过广义相对论、因果性及微观稳定性条件，作者表明此类恒星可与正常中子星共存于相同质量但不同半径和组成下，且由于方程状态的刚化，高密度分支的稳定性得以恢复。

ABSTRACT

The work of J. A. Wheeler in the mid 1960's showed that for smooth equations of state no stable stellar configurations with central densities above that corresponding to the limiting mass of ``neutron stars'' (in the generic sense) were stable against acoustical vibrational modes. A perturbation would cause any such star to collapse to a black hole or explode. Accordingly, there has been no reason to expect that a stable degenerate family of stars with higher density than the known white dwarfs and neutron stars might exist. We have found a class of exceptions corresponding to certain equations of state that describe a first order phase transition. We discuss how such a higher density family of stars could be formed in nature, and how the promising new exploration of oscillations in the X-ray brightness of accreting neutron stars might provide a means of identifying them. Our proof of the possible existence of a third family of degenerate stars is one of principle and rests on general principles like causality, microstability of matter and General Relativity.

研究动机与目标

• 探究在理论不稳定性定理存在的情况下，中心密度高于中子星的稳定简并星结构是否仍可存在。
• 探索通过一阶相变形成第三类致密星（与白矮星和中子星不同）的物理条件。
• 确定此类恒星是否可通过质量-半径关系与振荡模式与正常中子星在观测上相区分。
• 确立此类恒星的存在与基本物理原理（因果性、微观稳定性及广义相对论）的一致性。

提出的方法

• 使用核物理参数（压缩模量 K = 290 MeV，有效核子质量 m*/m = 0.66，袋常数 B^{1/4} = 180 MeV）对强子物质与夸克物质的方程状态（EoS）进行建模。
• 构建强子相与夸克物质相之间的一阶相变，其中存在强子相与夸克相共存的混合相区域。
• 应用广义相对论恒星结构方程，计算平衡构型，并通过正则模态分析研究径向稳定性。
• 利用质量-中心密度关系识别转折点并评估稳定性，表明低密度与高密度分支均可具有正的 dM/dρc 及稳定的振动模态。
• 评估双星存在的可能性：相同质量但不同半径与组成，其中高密度双星具有纯夸克核心。
• 通过核心塌缩或吸积诱导的相变路径评估形成机制，即从低密度序列向高密度序列的转变，多余质量被抛射，类似于白矮星塌缩。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在Wheeler等人提出的不稳定性定理，是否仍可能存在中心密度高于中子星的稳定致密星？
• RQ2 在致密物质中的一阶相变下，何种条件下可使高密度恒星序列的稳定性得以恢复？
• RQ3 高密度序列中的恒星是否可与相同质量的正常中子星共存，形成具有不同组成与半径的“双星”？
• RQ4 何种观测特征可将此类非相同双星与标准中子星区分开来？
• RQ5 第三类致密星的存在是否与因果性、微观稳定性等基本物理原理一致？

主要发现

• 原则上可存在第三类稳定、简并恒星，其配置的中心密度高于中子星，这是由于向夸克物质的一阶相变所致。
• 高密度分支的恒星表现出延伸至约5 km的纯夸克物质核心，外围为混合相，再外层为强子包层，而低密度双星则无纯夸克核心。
• 质量-半径关系显示存在两条具有正 dM/dρc 的稳定分支，各自具有稳定的径向振动模态，这与“仅正斜率即代表稳定性”的假设相矛盾。
• 非相同双星存在：两颗质量相同的恒星具有不同的半径与内部组成，高密度双星因夸克核心具有更刚硬的方程状态而表现出显著更小的半径。
• 高密度双星的形成在物理上是可能的，可通过核心塌缩或吸积诱导的相变实现，多余质量被抛射，类似于白矮星塌缩过程。
• 通过准周期性X射线振荡可实现观测识别，其精度足以分辨质量与半径，从而在约1 km半径分辨率下区分两条不同分支的恒星。