[论文解读] Significantly super-Chandrasekhar limiting mass white dwarfs and their consequences

Banibrata Mukhopadhyay, Upasana Das+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 5被引用 4

一句话总结

本文提出，高度磁化的白矮星（B-WDs）可因磁场引起的电子简并压修改而超过钱德拉塞卡极限达80%，质量可达约2.58 M☉。该模型无需依赖极端强磁场，即可解释超亮Ia型超新星、软伽马射线重复暴（SGRs）和白矮星脉冲星现象，提出了一种新的质量极限，并可能成为天体物理学中的第二个标准烛光。

ABSTRACT

Since 2012, we have initiated a new idea showing that the mass of highly magnetized or modified Einstein's gravity induced white dwarfs could be significantly super-Chandrasekhar with a different mass-limit. This discovery has several important consequences, including explanation of peculiar, over-luminous type Ia supernovae, soft gamma-ray repeaters and anomalous X-ray pulsars without invoking extraordinarily strong, yet unobserved, magnetic fields. It further argues for a possible second standard candle. Based on simpler calculations, these white dwarfs are also shown to be much less luminous than their standard counter-parts (of low magnetic fields). This discovery altogether initiates a new field of research.

研究动机与目标

• 解释超过钱德拉塞卡质量极限的超亮Ia型超新星（SNeIa）的起源。
• 在不引入未观测到的超强磁场的前提下，为软伽马射线重复暴（SGRs）和异常X射线脉冲星（AXPs）提供物理解释。
• 在强磁场或修正引力条件下，建立白矮星的新质量极限，挑战标准钱德拉塞卡极限。
• 探索基于超钱德拉塞卡白矮星的第二个宇宙学标准烛光的可能性。
• 研究高度磁化白矮星的稳定性及其观测特征，包括亮度和旋转能量输出。

提出的方法

• 采用牛顿、球对称模型，考虑强磁场（B > 10¹⁵ G）下简并电子的朗道能级化，修改状态方程（EoS）。
• 应用Lane-Emden形式化推导中心密度与质量、半径的标度律，表明新质量极限独立于钱德拉塞卡极限的n=3条件。
• 通过XNS代码引入广义相对论磁流体动力学（GRMHD），模拟具有环形磁场的非球形、自洽B-WDs。
• 利用涉及朗道能级和费米动量的压力积分推导修改后的EoS，有效场强通过 $ B_D = B / (4.414 \times 10^{13}\,\text{G}) $ 进行归一化。
• 采用自转损耗光度模型，将旋转能量损失与SGRs和AXPs的观测X射线光度进行比较，假设为偶极场几何结构。
• 重新审视GCRT J1745-3009和AR Sco的白矮星脉冲星假说，采用缓慢旋转、高度磁化的白矮星模型，其表面磁场 $ B_s \sim 10^{11}-10^{12}\,\text{G} $，与射电和X射线流量一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于强磁场作用，白矮星是否能显著超过钱德拉塞卡极限？在该条件下新的质量极限是多少？
• RQ2 超钱德拉塞卡白矮星是否能在不依赖极端磁场的前提下解释超亮Ia型超新星的观测特性？
• RQ3 高度磁化的白矮星是否能为软伽马射线重复暴（SGRs）和异常X射线脉冲星（AXPs）提供可行的替代解释？
• RQ4 GCRT J1745-3009和AR Sco等源中的白矮星脉冲星现象是否能通过具有修改后EoS的高磁化、慢速旋转白矮星来解释？
• RQ5 在现实磁场构型下，特别是混合的偶极-环形磁场下，超钱德拉塞卡白矮星是否稳定？

主要发现

• 当 $ \mu_e = 2 $ 时，高度磁化白矮星的新质量极限约为2.58 M☉，相比标准钱德拉塞卡极限提高了75%。
• 对于中心密度 $ \rho_c = 2 \times 10^{10} \,\text{gm/cm}^3 $ 和磁场 $ B = 8.8 \times 10^{15} \,\text{G} $，质量可达2.44 M☉，半径约650 km，远低于不稳定性阈值。
• GRMHD模拟中旋转与非旋转序列表明，B-WDs即使在磁场能量低于引力能的情况下，仍可维持显著超过钱德拉塞卡极限的质量。
• B-WDs的紫外光度估计约为爱丁顿光度的10⁻⁴倍，比标准白矮星更暗，有助于解释其在光学巡天中未被探测到的现象。
• 对九个SGR/AXP源的分析显示，旋转能量损失率 $ \dot{E}_{\rm rot} $ 比观测X射线光度 $ L_x $ 大几个数量级，表明旋转能量可驱动观测到的辐射。
• 对GCRT J1745-3009和AR Sco的重新分析支持B-WD的白矮星脉冲星模型，其表面磁场 $ B_s \sim 3.3 \times 10^{11} - 2 \times 10^{12} \,\text{G} $，源距离被限制在 $ \lesssim 8.5 \,\text{kpc} $，与观测一致。