[论文解读] On the mass of moderately rotating strange stars in the MIT bag model and LMXBs

J. L. Zdunik, T. Bulik+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2000

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 6

一句话总结

本文研究了在MIT袋模型中考虑夸克质量和QCD耦合效应的中等旋转奇异星的最大质量。研究发现，在合理的参数范围内，奇异星的质量可超过2.0 M☉，即使在旋转周期≥1.6 ms时，质量最高可达2.6 M☉，若其质量足够高且旋转适中，则与LMXB中kHz QPO观测结果相容。

ABSTRACT

We compute the maximum mass of moderately rotating strange stars as a function of the strange quark mass, of the QCD coupling constant, $α_c$, and of the bag constant (vacuum energy density), $B$, in the MIT bag model of quark matter with lowest order quark-gluon interactions. For a fixed value of $B$, the maximum stellar mass depends only weakly on $α_c$, and is independent of this coupling in the limit of massless quarks. However, if it is the value of the chemical potential of quark matter at zero pressure which is held constant, for example at the value corresponding to the stability limit of nucleons against conversion to quark matter, the maximum mass of the strange star is higher by up to 25% for $α_c=0.6$, than for non-interacting quarks, and this may be relevant in the discussion of kHz QPO sources. The maximum mass of a non-rotating strange star could be sufficiently high to allow an orbital frequency as low as 1.0 kHz in the marginally stable orbit. However, for all $α_c<0.6$, the stellar mass cannot exceed $2.6M_\odot$ at any rotational period $\ge1.6 $ms.

研究动机与目标

• 在包含真实夸克质量和QCD耦合的MIT袋模型下，确定中等旋转奇异星的最大质量。
• 评估此类星体是否能支持低至1.0 kHz的ISCO频率，该频率与LMXB中的kHz QPO相关。
• 探讨恒星质量对袋常数B、奇异夸克质量ms和QCD耦合αc的依赖关系。
• 评估夸克物质稳定性和β平衡对可行参数空间的约束。
• 基于质量和旋转约束，评估奇异星作为LMXB中致密天体的可行性。

提出的方法

• 数值求解旋转奇异星在MIT袋模型下的Tolman–Oppenheimer–Volkoff方程。
• 通过QCD耦合常数αc引入最低阶夸克-胶子相互作用。
• 采用非零奇异夸克质量下β稳定的三味夸克物质的状态方程。
• 计算最大质量随B、ms和αc的变化，同时施加夸克物质稳定性和核结合能的约束。
• 应用ISCO频率公式，将致密天体的质量与旋转频率与观测到的kHz QPO联系起来。
• 将结果与LMXB的观测限制以及从夸克物质稳定性得出的B的理论极限进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在MIT袋模型中，中等旋转的奇异星能否达到足够高的质量，以支持低至1.0 kHz的ISCO频率？
• RQ2 QCD耦合常数αc对奇异星最大质量的影响如何，特别是在奇异夸克质量非零的情况下？
• RQ3 若在零压下保持夸克物质的化学势恒定（例如在核子到夸克物质相变点），对奇异星质量有何影响？
• RQ4 与夸克物质稳定性和观测到的恒星质量一致的袋常数B的上下限是什么？
• RQ5 质量大于2.0 M☉的奇异星是否可能在旋转周期≥1.6 ms时存在，且与kHz QPO观测一致？

主要发现

• 对于固定的袋常数B，旋转奇异星的最大质量对QCD耦合常数αc的依赖极弱，且在无质量夸克极限下与αc完全无关。
• 若在零压下的化学势保持在核子稳定性极限处，则当αc = 0.6时，最大质量相比非相互作用夸克情况最多提高25%。
• 非旋转奇异星的最大质量足够高，可支持1.06 kHz的ISCO频率。
• 对于所有αc < 0.6的情况，在任意旋转周期≥1.6 ms时，最大恒星质量均不超过2.6 M☉。
• 与无质量夸克情况相比，典型奇异夸克质量（150–300 MeV）会使最大质量降低10–20%。
• 即使在高达700 Hz的频率下，旋转效应使最大质量增加也小于4%，表明旋转支持作用微弱。