[论文解读] Rapid uniform rotation of protoneutron stars

J. O. Goussard, P. Haensel+1 more|ArXiv.org|Oct 31, 1996

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用 16

一句话总结

本文利用包含真实致密物质方程态的一般相对论模型，研究了原中子星的快速均匀自转。研究发现，最大自转频率可被冷中子星所用的经验公式很好地近似，且由于原中子星中的热效应和富含轻子的特性，孤立脉冲星的最小自转周期显著长于冷中子星。

ABSTRACT

Rapid uniform rotation of newborn neutron stars (protoneutron stars) is studied for a range of internal temperatures and entropies per baryon predicted by the existing numerical simulations. Calculations are performed using general relativistic equations of hydrostatic equilibrium of rotating, axially symmetric stars. Stability of rotating configurations with respect to mass shedding and the axially symmetric perturbations is studied. Numerical calculations are performed for a realistic dense matter equation of state, under various assumptions concerning neutron star interior (large trapped lepton number, no trapped lepton number, isentropic, isothermal). For configurations with baryon mass well below the maximum one for the non-rotating models, the mass shedding limit depends quite sensitively on the position of the ``neutrinosphere''. The absolute upper limit on rotation frequency is, to a good approximation, obtained for the maximum baryon mass of rotating configurations. Empirical formula for the maximum rotation frequency of uniformly rotating protoneutron stars is shown to be quite precise; it actually coincides with that used for cold neutron stars. Evolutionary sequences at fixed baryon mass and angular momentum, which correspond to evolution of protoneutron stars into cold neutron stars are studied, and resulting constraints on the maximum rotation frequency of solitary pulsars are discussed.

研究动机与目标

• 确定在真实致密物质方程态下，均匀自转原中子星的最大自转频率。
• 评估热能、束缚轻子数和中微子球结构对旋转稳定性和质量抛射极限的影响。
• 评估原中子星演化对孤立中子星（孤立脉冲星）最大自转周期的影响。
• 检验适用于热、富含轻子的原中子星的最大自转频率经验公式的有效性。
• 研究缓慢不稳定性与热结构在原中子星演化过程中对自转速率上限的影响。

提出的方法

• 求解均匀自转、轴对称星体的一般相对论流体静力学平衡方程。
• 采用包含核子和轻子的真实致密物质方程态，对束缚轻子数和温度分布采用不同假设。
• 应用近似方法定位形变的、类似椭球的中微子球，该位置影响质量抛射极限。
• 在与现有原中子星模拟一致的重子质量、温度和熵范围内进行数值计算。
• 评估对质量抛射和轴对称扰动的稳定性，以确定旋转极限。
• 在固定重子质量和角动量下追踪演化序列，以模拟原中子星冷却为冷中子星的过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 均匀自转原中子星的最大自转频率如何依赖于温度、熵和束缚轻子含量？
• RQ2 中微子球的形状和位置在多大程度上影响快速自转原中子星的质量抛射极限？
• RQ3 此前在冷中子星中验证过最大自转频率的经验公式，是否适用于高温、高密度的原中子星？
• RQ4 原中子星演化对孤立中子星最小自转周期施加了何种约束？
• RQ5 缓慢不稳定性与热结构如何影响原中子星中自转频率的上限？

主要发现

• 原中子星的最大自转频率可被用于冷中子星的经验公式高度精确地近似。
• 质量抛射极限对低重子质量下中微子球位置极为敏感，但随着质量增加，这种依赖性减弱。
• 最大自转频率的绝对上限出现在旋转构型的最大重子质量处。
• 对于重子质量低于非旋转模型最大值的原中子星，其最小自转周期显著长于冷中子星。
• 若考虑缓慢不稳定性，最大自转频率将进一步降低，从而强化了孤立脉冲星无法像冷中子星那样快速自转的结论。
• 结果对热结构和中微子球位置的近似具有鲁棒性，表明主要结论对这些简化假设不敏感。