[论文解读] Rapid differential rotation of protoneutron stars and constraints on radio pulsars periods

J. O. Goussard, P. Haensel+1 more|ArXiv.org|Nov 28, 1997

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 6被引用 16

一句话总结

本文利用广义相对论方程和谱方法对不同旋转的原中子星进行建模，表明热结构显著影响最大角动量。对于具有激波高熵包层的1.5 M⊙原中子星，其形成的冷中子星的最小可能周期约为1.7 ms，这意味着毫秒脉冲星很可能是通过吸积自旋加速形成，而非直接形成。

ABSTRACT

Models of differentially rotating protoneutron stars are calculated, using realistic equations of state of dense hot matter. Various conditions within the stellar interior, corresponding to different stages of protoneutron star evolution, are considered. Families of differentially rotating models of a given baryon mass are calculated, using a two-parameter formula describing the angular velocity profile within a rotating protoneutron star. Maximum angular momentum, which can be accommodated by a protoneutron star is calculated, for various thermal conditions in stellar interior, for a baryon mass of $1.5 M_\odot$. In the case of a thermally homogeneous (isentropic or isothermal) neutrino-opaque interior this maximum angular momentum turns out to be somewhat higher than that of a cold neutron star of the same baryon mass, rotating uniformly at the mass shedding angular velocity. However, if the protoneutron star has a thermal structure characteristic of initial state, with a low entropy (unshocked) core, and a high entropy (shocked) outer half of baryon mass, the maximum angular momentum is significantly lower. This leads to a minimum period of uniform rotation of cold neutron stars of baryon mass $\sim 1.5~M_\odot$, formed directly (i.e. without a subsequent significant accretion of mass) from protoneutron stars with shocked envelope, of about 1.7 ms and strengthens the hypothesis that millisecond pulsars are accretion accelerated neutron stars.

研究动机与目标

• 研究原中子星中差速旋转和热结构如何影响其最大角动量承载能力。
• 确定具有激波包层的原中子星演化形成的冷中子星的最小可能自转周期。
• 基于原中子星演化，评估无需吸积直接形成毫秒脉冲星的可能性。
• 将差速旋转原中子星的角动量极限与均匀旋转冷中子星的角动量极限进行比较。
• 评估热结构（特别是低熵核心和高熵包层）对旋转约束的影响。

提出的方法

• 使用广义相对论方程求解静止、轴对称平衡态下的差速旋转原中子星数值模型。
• 采用双参数公式描述星体内角速度分布，实现对差速旋转的系统性探索。
• 在数值代码中应用谱方法，求解在流体静力平衡近似下的相对论运动方程。
• 针对固定重子质量1.5 M⊙，在两种热状态情景下进行模型计算：激波包层（外半部分高熵）和等熵（混合）内部。
• 利用质量抛射极限和新定义的“最小质量极限”约束稳定构型。
• 对每种构型计算角动量，并与均匀旋转冷中子星的最大角动量进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在真实方程状态和热条件下，差速旋转原中子星能承载的最大角动量是多少？
• RQ2 激波高熵包层的存在如何影响所形成冷中子星的最小可能自转周期？
• RQ3 具有激波包层的原中子星是否可能在无吸积条件下形成自转周期短于1.7 ms的冷中子星？
• RQ4 与均匀旋转相比，原中子星的差速旋转在角动量承载能力方面有何差异？
• RQ5 原中子星内部的热结构对中子星最终自转周期施加了何种约束？

主要发现

• 对于具有激波高熵包层的1.5 M⊙原中子星，其形成的冷中子星的最小可能周期约为1.7 ms。
• 该最小周期显著长于目前已知最快毫秒脉冲星（如PSR 1937+21和PSR 0034-0534）的自转周期。
• 由于热结构效应，具有激波包层的原中子星的最大角动量承载能力远低于具有等熵内部的原中子星。
• 相比之下，具有等熵或等温内部的原中子星可承载的角动量略高于同质量的均匀旋转冷中子星。
• 结果表明，若无显著吸积过程，原中子星直接形成毫秒脉冲星的可能性极低，支持吸积自旋加速假说。
• 本研究提出了差速旋转原中子星的“最小质量极限”，其源于激波包层情景下的结构约束。