[论文解读] Rotating compact strange stars

D. Rosińska, T. Bulik+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2000

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 3

一句话总结

本文利用基于QCD的方程态（Dey et al. 1998）提出了均匀旋转奇异星的数值模型，表明此类恒星的最高质量与旋转频率可显著超过中子星。关键结果包括： Keplerian配置从不是旋转最快的模型，且T/W比值超过0.2，表明具有强旋转支持及高频率潜力。

ABSTRACT

We compute numerical models of uniformly rotating strange stars (SS) in general relativity for the recently proposed QCD-based equation of state (EOS) of strange quark matter (Dey et al. 1998). Static models based on this EOS are characterised by a larger surface redshift than strange stars within the MIT bag model. The frequencies of the fastest rotating configurations described by Dey model are much higher than these for neutron stars (NS) and for the simplest SS MIT bag model. We determine a number of physical parameters for such stars and compare them with those obtained for NS. We construct constant baryon mass equilibrium sequences both normal and supramassive. Similarly to the NS a supramassive SS, prior to collapse to a black hole, spins up as it loses angular momentum. We find the upper limits on maximal masses and maximal frequencies of the rotating configurations. We show that the maximal rotating frequency for each of considered evolutionary sequences is never the Keplerian one. A normal and low mass supramassive strange stars gaining angular momentum always slows down just before reaching the Keplerian limit. For a high mass supramassive SS sequence the Keplerian configuration is the one with the lowest rotational frequency in the sequence. The value of $T/W$ for rapidly rotating SS of any mass is significantly higher than those for ordinary NS. For Keplerian configurations it increases as mass decreases. The results are robust for all linear self-bound equations of state.

研究动机与目标

• 研究基于QCD方程态（SS1与SS2）的旋转奇异星的结构及其平衡序列，该方程态描述了绝对稳定的奇异夸克物质。
• 将此类奇异星的性质与中子星及MIT袋模型奇异星进行比较，特别关注其最大质量与旋转频率的极限。
• 确定此类恒星的天体物理意义，包括其在解释LXMB中高频率kHz QPOs以及致密天体演化路径中的作用。
• 分析超质量奇异星在角动量损失过程中的行为，特别是其在黑洞坍缩前的自转加快行为。

提出的方法

• 使用Dey et al. (1998)推导出的基于QCD的方程态（SS1与SS2），通过数值方法构建旋转奇异星的恒定重子质量平衡序列。
• 在广义相对论框架下求解均匀旋转配置的爱因斯坦场方程，重点分析对准径向扰动的极限稳定性及Keplerian质量抛射极限。
• 计算包括引力质量、重子质量、旋转频率以及旋转能与引力能之比（T/W）在内的物理参数，涵盖正常序列与超质量序列。
• 与中子星模型及MIT袋模型进行比较，评估最大质量、最大频率及T/W比值的差异。
• 识别最大质量序列与Keplerian极限的交点，以确定质量与频率的上限。
• 分析演化序列，追踪角动量与旋转频率的变化，特别关注接近黑洞坍缩的超质量恒星。

实验结果

研究问题

• RQ1 在基于QCD的SS1与SS2方程态下，旋转奇异星可达到的最大质量和旋转频率是多少？
• RQ2 由Dey et al. (1998)模型描述的旋转奇异星的性质，与中子星及MIT袋模型奇异星相比有何异同？
• RQ3 在角动量损失过程中，超质量奇异星的行为如何——它们在坍缩为黑洞前是否会自转加快？
• RQ4 Keplerian配置是否始终是旋转最快的模型，还是在质量抛射发生前可实现更高频率？
• RQ5 T/W比值如何随质量与旋转频率变化，这对这些恒星的稳定性与可观测性有何含义？

主要发现

• 由SS1与SS2方程态描述的旋转奇异星，其最大旋转频率分别达到2.6 kHz与2.8 kHz，显著超过典型中子星的极限。
• 在低旋转频率下，最大质量仅略有增加（二阶效应）；但在高频率下，最大质量配置变为Keplerian，较静态最大质量高出约15%。
• 旋转奇异星的最大质量上限比静态最大质量高出约40%，这一增强幅度远大于中子星中的表现。
• 与中子星不同，正常与超质量奇异星中旋转最快的配置从不是Keplerian；相反，Keplerian极限在高质量超质量序列中对应最低的旋转频率。
• 快速旋转奇异星的T/W比值超过0.2，尤其在Keplerian配置中随质量减小而增加，表明具有强旋转支持，且可观测频率潜力更高。
• 重子质量为1.8 M☉的超质量奇异星演化序列显示，角动量损失导致其在坍缩前发生自转加快，与中子星模型中的行为一致。