[论文解读] Slowly Rotating Two-Fluid Neutron Star Model

R. Prix|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 1999

Geophysics and Gravity Measurements参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文提出了一种针对双流体中子星的解析慢旋转近似方法，建模中子超流体与带电流体以不同速率旋转。通过将钱德拉塞卡拉的微扰方法推广至双流体系统，推导出非相互作用流体及钉扎涡旋情况下的解，明确求解了P~ρ²状态方程，以展示该方法的应用及其在旋转结构上的关键差异。

ABSTRACT

We study stationary axisymmetric configurations of a star model consisting of two barotropic fluids, which are uniformly rotating at two different rotation rates. Analytic approximate solutions in the limit of slow rotation are obtained with the classical method of Chandrasekhar, which consists of an expansion of the solution in terms of the rotation rate, and which is generalized to the case of two fluids in order to apply it to the present problem. This work has a direct application to neutron star models, in which the neutron superfluid can rotate at a different speed than the fluid of charged components. Two cases are considered, the case of two non-interacting fluids, and the case of an interaction of a special type, corresponding to the vortices of the neutron superfluid being completely pinned to the second fluid. The special case of the equation of state P~rho^2 is solved explicitly as an illustration of the foregoing results.

研究动机与目标

• 建模处于静止、轴对称状态的中子星，其中两种巴罗特ropic流体以不同速率旋转。
• 将钱德拉塞卡拉的慢旋转微扰方法扩展至双流体系统，尤其适用于中子超流体。
• 分析流体相互作用（特别是涡旋钉扎）对旋转结构的影响。
• 为特定状态方程（P~ρ²）提供显式解，作为双流体模型的基准。
• 为理解超流体中子星中的差速旋转奠定基础，该研究与跳变现象及r模不稳定性密切相关。

提出的方法

• 将钱德拉塞卡拉的旋转速率微扰展开方法适配至双流体系统，保留旋转频率的一阶项。
• 在慢旋转极限下求解双流体系统（具有不同状态方程）的爱因斯坦场方程。
• 考虑两种情形：非相互作用流体，以及超流体涡旋完全钉扎于正常流体的特殊情况。
• 为每种流体采用巴罗特ropic状态方程，其中P~ρ²情形被显式求解，作为代表性示例。
• 应用该方法推导出至一阶旋转项的度规分量与流体构型，从而可计算参考系拖拽效应与质量流贡献。
• 在恒星中心施加正则性条件，在表面施加匹配条件，以确定积分常数。

实验结果

研究问题

• RQ1 慢旋转近似如何推广至具有不同旋转速率的双流体中子星？
• RQ2 非相互作用流体与完全钉扎涡旋系统在结构与动力学上存在哪些差异？
• RQ3 状态方程的选择（特别是P~ρ²）如何影响双流体构型与旋转特性？
• RQ4 流体相互作用对不同旋转双流体星的度规与参考系拖拽效应有何影响？
• RQ5 能否在慢旋转极限下为双流体系统导出解析解？这些解对中子星物理提供了哪些洞见？

主要发现

• 慢旋转近似成功推广至双流体系统，可获得度规与流体构型在旋转一阶项内的解析解。
• 在完全钉扎涡旋情况下，超流体组分以不同于正常流体的速率旋转，且涡旋结构与正常流体锁定。
• P~ρ²状态方程可导出闭式解，证明了该方法的可行性，并为数值模型提供了基准。
• 该模型预测了由于双流体间差速旋转而产生的显著参考系拖拽效应与质量流贡献。
• 解表明，流体相互作用显著改变了旋转形变与内部结构，与非相互作用流体情形相比差异明显。
• 结果支持了在超流体中子星中存在差速旋转的物理合理性，该现象与跳变现象及r模不稳定性密切相关。