[论文解读] Quasi-stationary sequences of hyper massive neutron stars with exotic equations of state

Sanika Khadkikar, Chatrik Singh Mangat+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 26被引用 1

一句话总结

本研究探讨了具有奇异物质状态方程（EoS）的准静态超大质量中子星（HMNS）序列，考虑了差速旋转、有限温度及超子（通过BHBΛφ EoS引入的Λ超子）。结合相对论平均场（DD2）和含超子的EoS，研究发现超子与热效应显著增强了自转加速与稳定性，减少了从差速旋转向均匀旋转过渡过程中的角动量损失，尤其在高温、富含超子的HMNS中表现明显，这类HMNS与中子星并合后的残余物相关。

ABSTRACT

In this work, we study the effect of differential rotation, finite temperature and strangeness on the quasi stationary sequences of hyper massive neutron stars (HMNS). We generate constant rest mass sequences of differentially rotating and uniformly rotating stars. The nucleonic matter relevant to the star interior is described within the framework of the relativistic mean field model with the DD2 parameter set. We also consider the strange $\Lambda$ hyperons using the BHB$\Lambda\phi$ equation of state (EoS). Additionally, we probe the behaviour of neutron stars (NS) with these compositions at different temperatures. We report that the addition of hyperons to the EoS produces a significant boost to the spin-up phenomenon. Moreover, increasing the temperature can make the spin-up more robust. We also study the impact of strangeness and thermal effects on the T/W instability. Finally, we analyse equilibrium sequences of a NS following a stable transition from differential rotation to uniform rotation. The decrease in frequency relative to angular momentum loss during this transition is significantly smaller for EoS containing hyperons, compared to nucleonic EoS.

研究动机与目标

• 建立包含超子与有限温度的奇异状态方程的准静态、差速旋转超大质量中子星（HMNS）模型。
• 探究超子与热效应如何影响HMNS中的自转加速现象与稳定性。
• 分析从差速旋转向均匀旋转过渡的过程及其对角动量损失与频率演化的影响。
• 在不同热状态与旋转条件下，比较含核子与含超子EoS的HMNS平衡序列。
• 评估高温、富含超子的HMNS作为引力波与X射线观测中后中子星并合残余物模型的可行性。

提出的方法

• 利用核物质的相对论平均场（RMF）模型与DD2参数集，构建了恒定静止质量的差速旋转与均匀旋转中子星序列。
• 通过BHBΛφ状态方程（EoS）引入超子，以模拟致密核心中的奇异物质。
• 应用有限温度EoS以考虑高温并合后HMNS中的热压力，尤其关注约50 MeV的温度条件。
• 追踪从差速旋转构型向静态或均匀旋转状态的准静态演化，确保在开普勒质量抛射极限内保持稳定。
• 采用数值相对论技术计算平衡序列，重点关注质量、频率、角动量及T/W（动能与引力势能之比）作为稳定性指标。
• 比较从差速旋转到均匀旋转的过渡过程，分析过渡阶段的频率与角动量演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在状态方程中引入超子如何影响差速旋转超大质量中子星的自转加速行为？
• RQ2 有限温度在多大程度上增强了差速旋转中子星自转加速的鲁棒性？
• RQ3 从差速旋转向均匀旋转的过渡如何影响不同EoS组成的HMNS中的角动量损失与频率演化？
• RQ4 奇异性与热压力在抑制旋转中子星T/W不稳定性中起什么作用？
• RQ5 HMNS的最大质量与旋转频率如何依赖于差速旋转程度与EoS组成？

主要发现

• 在状态方程中引入超子显著增强了差速旋转HMNS的自转加速现象，使旋转频率更高且构型更稳定。
• 有限温度效应进一步提升了自转加速速率，使高温、富含超子的HMNS对不稳定性更具鲁棒性，更适合作为后并合残余物的建模候选。
• T/W比值（旋转不稳定性度量）随熵与奇异性增加而降低，表明富含超子与热加热的恒星稳定性更高。
• 在从差速旋转向均匀旋转过渡过程中，与核物质EoS相比，超子EoS中的频率下降速率相对于角动量损失显著降低，表明其具有更稳定、更渐进的自转减速过程。
• 对于某些质量（如3.20 M☉使用DD2 s=2 EoS，2.75 M☉使用BHBΛφ EoS），存在不穿越均匀旋转开普勒极限的恒定静止质量序列，表明若差速旋转被阻尼，将固有地变得不稳定。
• 具有差速旋转的高温、富含超子HMNS在向均匀旋转过渡时表现出增强的稳定性与更少的角动量损失，支持其作为双中子星并合后观测到的后并合残余物的可行性模型。