摘要
我们通过新考虑圆柱核相的可能存在,系统地研究了中子星壳的扭剪振荡。在本研究中,我们忽略了磁场的影响,在磁场的作用下,剪切振荡可以被磁相互作用阻尼。首先,通过将软γ中继器(SGR)中观察到的低频准周期振荡(QPO)识别为基本扭转振荡,我们约束了核对称能量的斜率参数,L(左),恒星质量的合理值M(M)和半径R(右)同时,我们发现对于给定的M(M)和R(右)可以很好地表示为新参数的函数|$\varsigma\equiv(K_0^4 L^5)^{1/9}$|,其中K(K)0是对称核物质的不可压缩性。假设在SGR 1806–20中观察到的500 Hz以上的QPO频率中的最低值来自第一泛音,我们可以限制∑的值。然后,对于每个中子星模型L(左),可以从观测到的低频QPO中获得,转化为K(K)0通过上述对О的约束。最后,它与允许值的一致性K(K)0根据经验,巨单极子共振导致了质量相对较低、半径较大的中子星模型,这在质量上与早期研究中的预测相似。这一结果表明L(左)≃58–73 MeV,即使圆柱核相内中子超流密度的不确定性是允许的。
1简介
中子星是大质量恒星坍缩后产生的恒星残留物,在极端条件下,恒星内部的密度在强引力场下显著超过正常核密度,并且恒星内部/周围的磁场可能变得非常强(海塞尔、波特金和雅科夫列夫2007). 为了提取中子星的属性,星震学是一个强大的工具,就像地球的地震学和太阳的日震学一样。也就是说,通过观察物体辐射的电磁波和/或引力波的光谱,人们可以看到物体的内部特性。事实上,中子星可以以反映恒星质量的方式激发各种本征模M(M)和半径R(右)内部结晶和超流体特性等(Van Horn等人。1995). 例如,通过对引力波的观测,可以约束M、 R(右)和中子星物质的状态方程(EOS)1996; Sotani、Tominaga和Maeda2001; 索塔尼、科里和原田2004; Sotani等人。2011; Doneva等人。2013).
理论上,中子星的结构强烈依赖于中子星物质的不确定EOS,而具有正则质量的定性结构|$1.4\,\text美元{米}_\奥托$|已经相当成熟了。在平衡状态下,在由熔化的铁组成的海洋中,由于库仑相互作用,物质形成晶格结构,表现为固体。这个地区被称为地壳。随着密度的增加,晶格结构中物质的能量变得大于均匀物质的能量。在临界密度以上,中子星物质变得均匀,表现为流体。该区域被称为核心。预测临界密度大致位于正常核密度和三分之一之间,其方式取决于对称能量(Oyamatsu和Iida)的密度依赖性2007). 此外,在地壳的基础上提出了非球形核结构的存在(Lorenz、Ravenhall和Pethick1993; 小山松1993)其中,随着密度的增加,非球形核的形状可以从球形变为圆柱形、板状、柱孔和球孔(气泡)核。这些非球形核的相通常称为意大利面相。无论如何,地壳厚度仅为R(右)主要由恒星的致密性决定M(M)/R(右)而核对称能斜率参数等EOS参数相对较弱L(左)对称核物质的不可压缩性K(K)0(Sotani、Iida和Oyamatsu2017年b).
就中子星的星震学而言,引力波将传递有用的信息,预计这些信息将在不久的将来提供。与此同时,来自振荡中子星的电磁信号已经被探测到,在软伽马中继器(SGR)观测到的巨大耀斑的余辉中存在准周期振荡(QPO)。到目前为止,在SGR 0526–66、SGR 1900+14和SGR 1806–20以及相关的QPO中至少检测到三个巨大的耀斑(Barat等人。1983; Israel等人。2005; Strohmayer&Watts公司2005,2006). 特别是,在SGR 1900+14的28、54、84和155 Hz以及SGR 1806-20的18、26、29、92.5、150、626.5和1837 Hz下发现了多个QPO。除了在巨大耀斑中观察到的这些QPO外,在低能量爆发中还从SGR 1806–20中检测到57 Hz的QPO(Huppenkothen等人。2014). 最近,贝叶斯分析也表明,在SGR 1806–20和SGR 1900+14中可能发现9.2 Hz的QPO(Pumpe等人。2018). 由于SGR通常被确定为强磁化中子星,因此观测到的QPO可能与全球振荡有关。这种振荡可能是地壳扭转和/或磁振荡,因为观测到的频率相对较低第页-kHz级的模式振荡。
到目前为止,一些研究小组(索塔尼、科科塔斯和斯特吉奥拉斯)已经对磁振荡和弹磁振荡进行了许多研究2007,2008年a; Sotani、Colaiuda和Kokkotas2008年b; 索塔尼和科科塔斯2009; 科莱乌达和科科塔斯2011; Gabler等人。2011,2012,2013年a,b条; van Hoven&Levin公司2011,2012; 帕萨蒙蒂和兰德2013). 考虑到根据上述SGR估计的恒星表面的磁场强度(Kouveliotou等人。1998; Hurley等人。1999),磁场应穿透恒星核心(Sotani et al。2008年b). 然后,磁振荡可以与地壳扭振耦合,而地壳扭振是所谓的弹磁振荡的原因。这种耦合的细节在很大程度上取决于磁场的强度。例如,如果磁场大于~5×10,则由于这种耦合,扭转振动将有效地阻尼13G和偶极(Gabler等人。2011). 然而,请注意,磁振荡和弹磁振荡对恒星内部不确定的磁场强度和分布很敏感。此外,只要磁场穿透恒星核心,就需要有关核心物质EOS的信息,这也是不确定的,以构建磁场结构。1另一方面,如果忽略磁效应,则可以关注限制在地壳中的扭转剪切振荡。然后,可以避免磁场结构和核心EOS中的不确定性,同时构建一个正则模型,该模型可以以依赖于有限数量表征中子星结构和地壳物质特性的参数的方式再现观测到的QPO频率。在这里,我们忽略了磁效应,只关注纯粹的地壳扭振。事实上,假设观测到的QPO被确定为纯粹的地壳扭振,可以限制地壳中的EOS(Samuelsson&Andersson2007; 斯坦纳和瓦茨2009; Gearheart等人。2011; 帕萨蒙蒂和安德森2012; Sotani等人。2012,2013年a,b条). 此外,QPO甚至可以通过其特有的弹性特性(Sotani2011; 帕萨蒙蒂和蓬斯2016; Sotani、Iida和Oyamatsu2017年a).
然而,大多数地壳扭转振荡本征频率的计算都是通过忽略可能存在的核意大利面来完成的。由于非球形核的相的厚度最多约为R(右)(Sotani等人。2017年b),这种无知似乎是合理的。事实上,基本振动的本征频率按剪切速度除以|$2\pi雷亚尔|,对可能存在的核意大利面不敏感,尽管他们对L(左)通过L(左)剪切模量的依赖性(Sotani等人。2012). 另一方面,泛音的特征频率是剪切速度除以地壳厚度(Hansen&Cioffi1980)此外,板状核结构在长波长线性扰动下表现为流体而非晶体(de Gennes&Prost1993; Pethick&Potekhin公司1998). 因此,地壳扭转振动可以在球形核和圆柱形核的相内以及圆柱孔核和球形孔核的相中分别激发(Sotani et al。2017年a). 本文通过对柱状核的液晶剪切特性进行新的研究,然后系统地计算地壳扭转振动的基频和一阶泛音本征频率,来考虑这种可能性。通过将结果与观测到的QPO频率进行比较,我们不仅可以限制M(M)和R(右),但也L(左)以一种几乎独立于柱形核相内鲜为人知的中子超流密度的方式。
在节中2,我们构造了中子星外壳的平衡构型。章节三用于计算地壳中的剪切模量,包括圆柱形核的相位。在节中4,我们由此获得扭转剪切振荡的本征频率,然后将其与观测到的QPO频率进行比较。结论见第节5。我们使用单位,其中c=G公司=1,其中c和G公司分别表示光速和引力常数。
2平衡地壳
人们普遍认为,引起SGR和相关巨耀斑的天体是强磁化中子星,即磁星。即使如此,由于磁能远小于引力结合能,人们可以忽略磁场对恒星压力和密度分布的贡献。在描述恒星结构时,热能也可以忽略不计。此外,从SGR观测到的旋转周期通常非常大。因此,作为相应恒星的合理模型,我们可以安全地考虑球对称中子星,其中线元素在球坐标下由这里是公制函数∧(第页),与质量函数直接相关,米(第页),通过e(电子)−2∧= 1 − 2米/第页. 现在,可以通过将著名的托尔曼-奥本海默-沃尔科夫(TOV)方程与中子星中物质的零温度EOS相结合来构建中子星模型。由于对稠密核物质EOS的实验和观测限制有限,中子星物质的EOS尚未确定,尽管迄今为止已经提出了许多EOS模型。特别是,与地壳物质状态方程相比,地核物质状态方程存在许多不确定性。因此,为了避免核心EOS中的这种不确定性,我们只关注地壳区域,在地壳区域中,平衡模型是通过对给定的一组从恒星表面向内到外壳底部的TOV方程进行积分而构建的M(M)和R(右)(伊达和佐藤1997). 为了构建平衡的地壳,必须制备地壳中物质的EOS,假设该EOS由饱和核物质(液体)和纯中子物质(气体)的混合物组成,由均匀的电子气体中和和平衡。特别是,我们采用核物质的唯象EOS,其构造方式可以在托马斯-费米方法(Oyamatsu&Iida)中重现稳定核的质量和电荷半径的经验数据2003). 通过使用从中获得的地壳物质的EOS(Oyamatsu和Iida2007(以下简称OI-EOS),我们系统地研究了扭转振动频率对EOS参数的依赖性。
在对称核物质饱和密度附近,n个0,均匀核物质在零温度下的每重子体积能量可以表示为重子数密度的函数,n个b条,和中子过剩,α,as哪里|$w美元$|0和K(K)0分别表示对称核物质的饱和能量和不可压缩性,对应于α=0(Lattimer1981). 同时,附加在α阶项上的系数2,即。S公司0和L(左),是与密度相关的对称能量相关的参数S公司(n个b条). 那就是,S公司0是对称能量n个b条=n个0,即。S公司0=S公司(n个0),同时L(左)是斜率参数,由|$L\equiv 3n_0(\text{d} S公司/\文本{d} n个_{\rm b})_{n_{\rmb}=n_0}$|这五个参数,n个0,|$w美元$|0,K(K)0,S公司0,以及L(左),是表征饱和点附近核物质性质的参数。通过地面核实验,其数据基本上反映了中子过剩范围有限的饱和核物质的性质,这些参数可以或多或少受到限制。其中,n个0,|$w美元$|0,以及S公司0约束相对较好,而其他两个参数,K(K)0和L(左),更难确定。这是因为人们需要获得饱和点周围一定密度范围内核物质的信息,以确定K(K)0和L(左),是相对于密度变化的高阶系数n个0在扩展的Thomas–Fermi理论中,结合了体能表达式,该表达式简化为方程(2)在n个b条→n个0和α→0,因此,OI-EOS是通过优化以下值来构建的n个0,|$w美元$|0,以及S公司0重现给定值下稳定核的质量和电荷半径的实验数据K(K)0和L(左)(Oyamatsu和Iida2007). 本研究中采用的EOS参数集如表所示1以及从球形核到圆柱形核以及从圆柱形核到板状核(或均匀物质)的过渡密度。请注意,对于L(左)≳100 MeV,预计不会出现面食。
表1。本研究采用的EOS参数以及相应的球形核到圆柱形核(SP-C)和圆柱形核到板状核(C-S)的跃迁密度。星号的值为K(K)0表示圆柱核直接转变为均匀物质的EOS模型。
K(K)0(百万伏特). | L(左)(百万伏特). | −年(MeV调频三). | SP–C(fm−3). | C–S(fm−3) . |
---|
180 | 5.7 | 1800 | 0.060万 | 0.086 65 |
180 | 31 | 350 | 0.058 87 | 0.076 29 |
180 | 52.2 | 220 | 0.060 00 | 0.071 86 |
230 | 7.6 | 1800 | 0.058 16 | 0.083 55 |
230 | 42.6 | 350 | 0.062 38 | 0.076 71 |
230 | 73.4 | 220 | 0.064 21 | 0.070 99 |
280 | 54.9 | 350 | 0.066 38 | 0.077 43 |
280* | 97.5 | 220 | 0.06678 | 0.068 87 |
360 | 12.8 | 1800 | 0.057 77 | 0.082 17 |
360 | 76.4 | 350 | 0.072 39 | 0.077 97 |
K(K)0(百万伏特). | L(左)(百万伏特). | −年(MeV调频三). | SP–C(fm−3). | C–S(fm−3) . |
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180 | 5.7 | 1800 | 0.060 00 | 0.086 65 |
180 | 31 | 350 | 0.058 87 | 0.076 29 |
180 | 52.2 | 220 | 0.060 00 | 0.071 86 |
230 | 7.6 | 1800 | 0.058 16 | 0.083 55 |
230 | 42.6 | 350 | 0.062 38 | 0.076 71 |
230 | 73.4 | 220 | 0.064 21 | 0.070 99 |
280 | 54.9 | 350 | 0.066 38 | 0.077 43 |
280* | 97.5 | 220 | 0.06678 | 0.068 87 |
360 | 12.8 | 1800 | 0.057 77 | 0.082 17 |
360 | 76.4 | 350 | 0.072 39 | 0.077 97 |
表1。本研究采用的EOS参数以及相应的球形核到圆柱形核(SP-C)和圆柱形核到板状核(C-S)的跃迁密度。星号的值为K(K)0表示圆柱核直接转变为均匀物质的EOS模型。
K(K)0(百万电子伏特). | L(左)(百万电子伏特). | −年(MeV调频三). | SP–C(fm−3). | C–S(fm−3) . |
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180 | 5.7 | 1800 | 0.060 00 | 0.086 65 |
180 | 31 | 350 | 0.058 87 | 0.076 29 |
180 | 52.2 | 220 | 0.060 00 | 0.071 86 |
230 | 7.6 | 1800 | 0.058 16 | 0.083 55 |
230 | 42.6 | 350 | 0.062 38 | 0.076 71 |
230 | 73.4 | 220 | 0.064 21 | 0.070 99 |
280 | 54.9 | 350 | 0.066 38 | 0.077 43 |
280* | 97.5 | 220 | 0.06678 | 0.068 87 |
360 | 12.8 | 1800 | 0.057 77 | 0.082 17 |
360 | 76.4 | 350 | 0.072 39 | 0.077 97 |
K(K)0(百万伏特). | L(左)(百万伏特). | −年(MeV调频三). | SP–C(fm−3). | C–S(fm−3) . |
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180 | 5.7 | 1800 | 0.060 00 | 0.086 65 |
180 | 31 | 350 | 0.058 87 | 0.076 29 |
180 | 52.2 | 220 | 0.060 00 | 0.071 86 |
230 | 7.6 | 1800 | 0.058 16 | 0.083 55 |
230 | 42.6 | 350 | 0.062 38 | 0.076 71 |
230 | 73.4 | 220 | 0.064 21 | 0.070 99 |
280 | 54.9 | 350 | 0.066 38 | 0.077 43 |
280个* | 97.5 | 220 | 0.06678 | 0.068 87 |
360 | 12.8 | 1800 | 0.057 77 | 0.082 17 |
360 | 76.4 | 350 | 0.072 39 | 0.077 97 |
为了计算中子星外壳中扭转振荡的频率,必须估计有效焓密度,|$\波浪线{H}$|,这导致了振荡。事实上,这些频率与定义为|$v_s=({\mu/\tilde{H}})^{1/2}$|(Hansen&Cioffi1980)式中,μ表示将在下一节中描述的剪切模量。有效焓密度可以通过从总焓密度中减去超流中子的质量密度得到,H(H),处于平衡状态。因为重子化学势是由μ给出的b条=H(H)/n个b条在零温度下,有效焓密度可以写为哪里A类是Wigner–Seitz单元中的重子数,而N个秒是指Wigner–Seitz电池中与原子核中的质子不协同运动的中子数(Sotani et al。2013年a,b条,2017年a). 由于在这项工作中,我们将把自己局限于球形和圆柱形原子核,我们可以假设N个秒仅来自滴下的中子气体的一部分。即使在这种假设下,仍不确定滴下的中子有多少部分表现为超流体(卡特、查梅尔和哈恩斯尔2005; 沙梅尔2005,2012; 渡边捷克2017). 因此,我们引入了一个新参数N个秒/N个d日Wigner–Seitz电池中滴下的中子数,N个d日。请注意N个秒/N个d日=0和1是极端情况,即N个秒/N个d日=0所有滴下的中子与质子共同运动|$\波浪线{H}$|等于H(H),而对于N个秒/N个d日=1所有滴下的中子表现为超流体,不参与振荡。的价值N个秒/N个d日在现实情况下,重子密度取决于恒星内部的重子密度,这是通过从底层晶体结构上滴下的中子的布拉格散射实现的。实际上,N个秒/N个d日在球形核阶段n个b条∼ 0.01–0.4n个0根据忽略非零配对间隙(Chamel2012). 另一方面,N个秒/N个d日在柱状核相中,由于这一层中的夹带作用相对于柱状核的方向是各向异性的,所以它的不确定性和复杂性更大。为了获得滴注中子的各向同性有效质量,通常假设圆柱形核的多晶取向是随机的。这里再次根据Chamel的波段计算(2005)和Carter等人。(2005)如果没有非零对间隙的影响,则各向同性有效质量变为米*/米=1.185n个b条=0.06英尺−3,对应于N个秒/N个d日84.4%。这可能表明,与球形核的相位相比,滴下的中子中有很大一部分表现为超流体。然而,非零配对间隙的效应以一种取决于配对间隙和带隙的比率以及晶体结构的尺寸的方式(Watanabe&Pethick2017). 在当前的分析中,为了简单起见,我们设置N个秒/N个d日与Chamel的结果相比(2012)如Sotani等人。(2013年a,b条),而我们考虑N个秒/N个d日在圆柱核相中作为0≤范围内的自由参数N个秒/N个d日≤ 1. 特别是,我们将考虑极端情况,即。N个秒/N个d日=0和1,在圆柱形核的相中。因此,为了描述地壳扭转振荡,我们必须设置两个恒星参数的值,即。M(M)和R(右),两个EOS参数,即。L(左)和K(K)0,以及N个秒/N个d日处于圆柱形核的相位。
3剪切模量
剪切模量是描述地壳扭振的另一个重要参数。对于球状核的bcc晶格,有效剪切模量被导出为哪里n个我是原子核的数密度,电荷数为Z和一是Wigner–Seitz单元的半径,即。|$1/n_i=4\pi a^3/3$|(绪方和一丸1990; Strohmayer等人。1991). 我们注意到,这个剪切模量是通过假设每个核都是一个点粒子,并对所有可能的位移波矢量取平均值,从而与具有随机取向晶粒的多晶物质相关。在目前的分析中,我们简单地采用了球核相剪切模量的传统公式,尽管剪切模量的修改版本允许电子屏蔽和更现实但仍然随机取向的多晶性质(Kobyakov&Pethick2013,2015)也提出了建议。这些修改可能会使有效剪切模量降低约30%,而非零配对间隙的影响可能会导致有效焓密度降低相同数量级甚至更大(Watanabe&Pethick2017). 幸运的是,这两个不确定因素在评估扭振频率时会相互抵消,但最终需要充分考虑这些因素。 现在让我们继续讨论圆柱核相的剪切模量。在这个区域,圆柱形核的平衡构型很可能是二维三角形晶格。根据de Gennes&Prost(1993)和Pethick&Potekhin(1998),他假设圆柱轴的方向是局部的|$z(美元)$|-方向和二维位移(u个x个,u个年)出现在垂直于|$z(美元)$|-方向,变形产生的能量,E类d日,由给出其中条款与B类1,C类,以及K(K)三分别与均匀横向压缩或膨胀、横向剪切和弯曲有关。另一方面B类2和B类三是关于位移的高阶项(u个x个,u个年),在这里采用的线性分析中可以忽略不计。因此,对于扭转振荡,只有系数C类是相关的,并且起到剪切模量的作用。 为了估算C类应通过对横向剪切力施加适当的扰动来计算能量的变化。在这种情况下,E类d日对应于不涉及每个圆柱体横截面变形的横向剪切引起的库仑能量变化。现在我们设置单位体积的库仑能量,E类库尔柱形核的平衡相。通过计算单位体积的空间平均库仑能量E类库尔〉,在存在上述扰动的情况下(u个x个,u个年)并通过识别E类d日带〈E类库尔〉 −E类库尔,人们可以估计C类.在实践中,C类已大致估计为对于体积分数的相关范围,|$w美元$|2,被圆柱核占据(Pethick&Potekhin1998),其中|$w美元$|2定义为|$w美元$|2≡ (R(右)第页/R(右)c)2圆柱核横截面的半径R(右)第页以及相应的Wigner–Seitz半径R(右)c此外,给定具有随机取向晶粒的多晶物质,如球形核,2的平均值C类在所有可能的位移波矢量中,都会产生有效的剪切模量μ连续性,作为在目前的分析中,我们采用圆柱核相的这种剪切模量来计算扭转振动的本征频率。估算有效剪切模量μ连续性在给定的重子密度下,我们利用E类库尔这是在Thomas–Fermi模型中构建OI-EOS时获得的。我们注意到在液滴模型中E类库尔由提供其中ρ第页是圆柱形液滴中的电荷密度,即ρ第页≡英语第页用局部质子数密度,n个第页(Ravenhall、Pethick和Wilson)1983). 此外,预计板状核的位相将以依赖于EOS参数的方式发生在柱状核位相的正下方。在de Gennes&Prost中也讨论了板状核相的弹性性质(1993)和Pethick&Potekhin(1998)其中,他们表明变形引起的能量变化在位移中具有较高的阶数。也就是说,板状核的相位表现为长波长扭转运动的流体,这可以在线性分析中进行检查。因此,即使在板状核相的正下方出现额外的意大利面相,扭转振荡也被限制在球形和圆柱形核的区域,这可以独立于圆柱形孔和球形孔核区域的扭转振荡进行分析(Sotani等人。2017年a).
因此,我们可以关注局限于球形核和圆柱形核区域的振荡,其中相应的有效剪切模量由μ给出特殊用途,方程式(4)、和μ连续性,方程式(7)分别是。在图中2,我们显示了具有|$1.4\,\text美元{米}_\奥托$|12 km,这是三组EOS参数的结果。我们注意到,如果延伸到恒星表面,三种情况下的剪切模量在图形上是相同的。从这个图中,可以观察到有效剪切模量在从球形核到圆柱形核的过渡点处不连续地减小。这是由于晶体结构(荒木2014).
图1。
有效焓密度(|$\波浪线{H}$|)在圆柱形核的阶段。虚线、虚线和实线对应于L(左)分别为7.6、42.6和73.4 MeV,通过固定K(K)0至230MeV。对于每个EOS模型,上下线表示有效焓N个秒/N个d日=0和1。
图2。
球形核相的有效剪切模量(μ特殊用途)在圆柱核相(μ连续性),分别由实线和虚线绘制,用于带有|$1.4\,\text美元{米}_\奥托$|和12 km。每条线路对应于以下情况L(左)从上到下=7.6、42.6和73.4 MeV,其中K(K)0固定为230 MeV。
4扭振及与观测QPO的比较
为了确定球形中子星外壳中扭转振荡的频率,我们考虑了对恒星平衡构型的线性分析。由于扭振是轴向型的,因此不涉及密度变化,我们可以安全地采用相对论Cowling近似,其中忽略了度量摄动。由于球对称背景,振荡由一个扰动变量描述,即拉格朗日位移(|${\cal Y}$|)一个给定物质元素的方向。将相对论运动方程线性化为哪里|$\波浪线{H}$|是第节中给出的有效焓2,素数表示关于第页,ω表示扭转振动的角频率,其值将根据下文规定的边界条件确定(Schumaker&Thorne1983). 我们注意到ω与频率有关(f)扭转振动通过|$\omega=2\pi f$|由于我们在本分析中考虑了球核和柱核相内扭转振动的本征模式,因此我们施加了相关的边界条件:在恒星表面,力矩消失,而在柱核相的底部,牵引力消失。这两个条件都可以表示为|${\cal Y}^{\prime}=0$|(舒梅克和索恩1983; Sotani等人。2007). 此外,我们在球核相和柱核相之间的界面处施加了一个连接条件,这必须是一个连续的牵引条件,即。此外,由于我们可以在方程中选择任意振幅的扭转振动(9),我们采用恒星表面的振幅作为单位长度。然后,要求解的问题成为关于ω的特征值问题。此后,我们使用符号,n个t吨ℓ,用角指数▽和数量表示扭振固有频率n个特征函数中的径向节点。 4.1基本振荡
首先,我们检查扭转振动的基频,即。0t吨ℓ,取决于EOS参数L(左)和K(K)0已经对限制在球形核阶段的基本地壳扭振进行了类似分析(Sotani et al。2012,2013年a,b条; 祖谷2014; Sotani、Iida和Oyamatsu2016; 祖谷2016),其中表明扭转振动的基频几乎与K(K)0然而,在存在圆柱核的情况下,早期的计算并不总是现实的,因为圆柱相具有非零剪切模量,如图2现在,我们计算了球形核和圆柱形核相中全局激发的扭转振动的基频,它们的基频为2。合成频率,由恒星模型获得|$M=1.4\,\text{米}_\奥托$|和R(右)=12 km,各种EOS模型如表所示1,以及N个秒/N个d日=0,1在圆柱核相,如图所示三从这个图中,我们可以确认,涉及柱形核相位的振动的基频(▽=2)仍然几乎与K(K)0在实践中,我们发现基频的依赖性为L(左)可以表示为哪里|$c_2^{(0)}$|,|$c_2^{(1)}$|,以及|$c_2^{(2)}$|是由以下计算拟合确定的系数0t吨2用于各种L(左)此拟合公式中的值也绘制在图三以及来自于球状核相内振荡的同类拟合公式。通过比较这两种情况,我们发现圆柱形核的相位效应通常很小,仅在较小的值L(左)圆柱核的相位预计具有相对较大的密度范围,如表所示1.
图3。
基频0t吨2球核和柱核相中全局激发的∏=2扭振,这些扭振是针对各种EOS模型和具有|$M=1.4\,\text{米}_\奥托$|和R(右)=12 km。结果以符号绘制,作为L(左)在以下情况下N个秒/N个d日=0(左)和N个秒/N个d日=1(右)在圆柱核相。在两个面板中,粗实线表示由公式给出的拟合公式(11)而虚线表示不涉及圆柱核相位的振荡的相同公式。
此外,我们同样计算了扭转振动的▽四阶基频,0t吨ℓ,从各种EOS模型中发现0t吨ℓ在K(K)0中子星模型测距可以忽略不计M(M)= 1.4–|1.8美元\,\text{米}_\奥托$|和R(右)=10–14 km。因此,人们通常可以表示0t吨ℓ作为的函数L(左)作为哪里|$c_\ell^{(0)}$|,|$c_\ell^{(1)}$|,以及|$c_\ell^{(2)}$|是可以通过拟合计算确定的系数0t吨ℓ作为恒星质量和半径的函数。 让我们继续限制L(左)通过比较地壳扭振的У=2基频与在巨型耀斑中观测到的最低QPO频率。在图中4,预测0t吨2显示了具有M(M)= 1.4–|1.8美元\,\text{米}_\奥托$|和R(右)=10–14 km(在以下情况下)N个秒/N个d日=0和1(圆柱相位)。请注意0t吨2是扭振中的最低频率。根据我们对地壳扭振QPO频率的解释,SGR 1806–20中的最低QPO频率,即18 Hz,必须高于0t吨2。因此,我们获得了一个约束L(左)作为L(左)≳51.9兆电子伏N个秒/N个d日=0和L(左)≳56.1 MeV用于N个秒/N个d日= 1.
图4。
这个L(左)本征频率的依赖性0t吨210≤的恒星模型的计算R(右)≤14km且1.4≤M(M)/M(M)⊙在以下情况下≤1.8N个秒/N个d日=0(左侧面板)和1(右侧面板),在圆柱核相。水平点-虚线表示从SGR 1806–20观测到的巨型耀斑中观察到的最低频率,而垂直虚线对应于L(左)=51.9 MeV(左侧面板)和56.1 MeV(右侧面板)。
可以进一步限制L(左)将观测到的QPO确定为各种地壳扭振的表现。事实上,我们已经证明了约束的可能性L(左)在我们之前的研究中,通过将计算出的具有各种类型的基波扭振拟合到低于100 Hz的观测QPO频率,我们忽略了圆柱核的相位影响(Sotani等人。2013年a,b条,2016). 在这样的尝试中,我们发现了用地壳扭转振荡来解释观测到的低频QPO的两种可能性,即(i)SGR 1806-20中的18、26、29、57和92.5 Hz对应于Ş=3、4、5、9和15的基本扭转振荡,SGR 1900+14中的28、54和84 Hz对应于Ş=4、8和13个基本扭转振动。(ii)SGR 1806–20中的18、29、57和92.5 Hz对应于У=2、3、6和10基本扭转振动,SGR 1900+14中的28、54和84 Hz对应于▽=3、6和9基本扭转振动。三至于第一种可能性,我们可以用地壳扭振来解释所有观测到的低频QPO,其中L(左)变得大于100 MeV(Sotani等人。2013年a),但这一限制似乎太大,与现有的核实验不一致,这意味着L(左)=30–80 MeV(Tsang等人。2012; 定时器2014; Newton等人。2014; Baldo&Burgio公司2016). 同时L(左)第二种可能性产生的结果或多或少与实验一致,尽管人们不得不援引一种额外的振荡机制来解释不明的26赫兹QPO。作为一种可能的机制,我们提出了气泡核相激发的扭转振荡(Sotani等人。2017年a); 严格地说,这些扭振如果发生,将延伸到柱孔核的位相,但不会影响球形核和圆柱形核位相的扭振,因为板状核中间位相的剪切模量为零。此后,我们将采用第二种可能性。除了与经验约束一致外L(左)如上所述,这有几个原因。一是两个QPO频率(26和29 Hz)太接近,无法使第一种可能性令人满意。另一个是,考虑到卷吸效应的不确定性,限制在气泡核和柱状空穴核相中的У=2扭振频率可以再现26 Hz的QPO。
如图所示5SGR 1806–20中观测到的低频QPO实际上可以用特定值为▽的地壳扭振的基频来解释,即使考虑到柱状核的相位存在。特别是,我们发现150 Hz的QPO可以用基本的地壳扭振来解释,同时观测到的QPO频率低于100 Hz,但26 Hz除外;相应的Ş为16。根据该图L(左)被发现为L(左)=73.4 MeV,对于典型的中子星模型|$M=1.4\,\text{米}_\奥托$|和R(右)=12公里N个秒/N个d日在圆柱核相中=1。由于地壳扭振的基频预计会随着M(M)和R(右),的最佳值L(左)减少了M(M)和R(右)如图所示6,其中的范围M(M)= 1.4–|1.8美元\,\text{米}_\奥托$|和R(右)=10–14 km和N个秒/N个d日假设圆柱核相中=1。在这种情况下L(左)结果是在L(左)=55.7–85.1兆伏特。
图5。
SGR 1806–20(水平虚线和虚线)中观测到的低空QPO频率与地壳扭振基频(实线)的比较L(左)对于中子星模型|$M=1.4\,\text{米}_\奥多特$|,R(右)=12 km,以及N个秒/N个d日在圆柱核相中=1。垂直粗实线表示L(左)这与除26 Hz外的低频观测QPO一致。
图6。
的最佳值L(左)它再现了在SGR 1806–20中观测到的低空QPO频率,但地壳扭振的频率为26 HzN个秒/N个d日在圆柱核相中=1。
同样,我们发现在SGR 1900+14观测到的QPO也可以被识别为基本的地壳扭振,如图所示7对于一个典型的中子星模型|$M=1.4\,\text{米}_\奥多特$|,R(右)=12km,以及N个秒/N个d日在圆柱核相中=1。特别是,我们发现155 Hz的QPO可以识别为基性地壳扭振,与识别其他QPO频率的精度相同。在这种情况下L(左)是L(左)=76.1兆伏特。这里L(左)更改为M(M)和R(右)如图所示8,其中的范围M(M)= 1.4–|1.8美元\,\text{米}_\奥托$|和R(右)=10–14 km和N个秒/N个d日假设圆柱核相中=1。从这个图中,我们发现L(左)在范围内L(左)=58.1–88.4兆瓦。
图7。
与图相同5,但对于SGR 1900+14中观察到的QPO频率。
图8。
与图相同6,但对于SGR 1900+14中观察到的低QPO频率。
由于L(左)必须唯一确定,我们可以约束L(左)以这样一种方式同时解释在SGR 1806–20和SGR 1900+14中观察到的低频QPO,其质量和半径在M(M)= 1.4–|1.8美元\,\text{米}_\奥托$|和R(右)=10–14 km。如果N个秒/N个d日从图中可以看出,圆柱形核相中=1和09和10,上的此类约束L(左)读取L(左)=58.1–85.1 MeV和L(左)分别为53.9–83.6 MeV。这表明N个秒/N个d日在圆柱形核的相位中,约束只会有一点不同。事实上,即使考虑到这种不确定性L(左)位于以下范围内L(左)=53.9–85.1兆伏特。
图9。
的值L(左)这同时解释了SGR 1806–20(26 Hz除外)和SGR 1900+14中观测到的低频QPO,它们是根据质量和半径在1.4–范围内的中子星外壳中的基本扭振来解释的|1.8美元\,\text{米}_\奥托$|和10–14 km。涂漆区域表示以下值L(左)在以下情况下N个秒/N个d日=1,而符号表示L(左)如图所示6和8.
4.2第一泛音
接下来,我们讨论地壳扭振的第一泛音的性质。理论上,相应的频率,1t吨ℓ,被认为与地壳厚度Δ有关R(右),作为1t吨ℓ∝|$v(美元)$|秒/ΔR(右)(Hansen&Cioffi1980),而ΔR(右)反过来取决于EOS参数L(左)和K(K)0主要通过地壳-核心边界的中子化学势(Sotani et al。2017年b). 因此,通过将SGR 1806–20中观察到的相对高频QPO识别为地壳扭振的泛音,可以获得关于EOS参数的信息(Sotani et al。2012).
找到由以下组合构造的参数非常有用K(K)0和L(左)以这样一种方式来表征第一泛音的频率。为此,让我们考虑一下组合|$(K_0^iL^j)^{1/(i+j)}$|带整数我和j个。通过参数搜索,我们找到了一个合适的组合,即。我们注意到K(K)0和L(左)η与η=定义的参数η不同(K(K)0L(左)2)1/3,这适用于描述低质量中子星的质量和半径(Sotani et al。2014). 在图中11,采用一个典型的中子星模型,利用|$M=1.4\,\text{米}_\气味$|和R(右)=12km和设置N个秒/N个d日=0和1,在圆柱形核的相中。从这张图中,我们发现计算出的频率随着∏的变化而平滑变化。
图11。
▽=2扭振的第一泛音频率,1t吨2,计算了各种EOS参数集和中子星模型|$M=1.4\,\text{米}_\奥托$|和R(右)=12 km被绘制为方程式定义的∏的函数(13). 左侧和右侧面板对应于以下结果N个秒/N个d日在圆柱核相分别为0和1。在两个面板中,粗实线表示由公式给出的拟合公式(14).
我们可以推导出一阶泛音的У=2频率的拟合公式,作为以下的∏二次函数:哪里|$d_2^{(0)}$|,|$d_2^{(1)}$|,以及|$d_2^{(2)}$|是取决于M(M)和R(右).公式(14)well再现了计算出的频率,如图11此外,我们可以证实,计算出的各种中子星模型的第1泛音的第l次频率,也可以用一个二次函数来很好地再现,哪里|$d_\ell^{(0)}$|,|$d_\ell^{(1)}$|,以及|$d_\ell^{(2)}$|是取决于M(M)和R(右). 然而,与扭转振动的基频不同,泛音频率与▽的距离很近(Hansen&Cioffi1980),如图中的У=2和10第一泛音频率的比较所示12因此,我们只关注第一泛音的∏=2频率。同时,从这个图中可以看出,第一泛音的频率在很大程度上取决于所采用的中子星模型。这种依赖性,即使在紧凑的情况下也会发生M(M)/R(右)几乎固定,反映了地壳厚度ΔR(右)缩放为R(右)用于固定压实度M(M)/R(右)(Sotani等人。2017年b).
图12。
在以下情况下,∏=2(实线)和10(虚线)扭振的第一泛音显示为∏的函数N个秒/N个d日=0(左)和1(右)在圆柱核相。在每个面板中,从上到下的线对应于拟合公式(方程式15)调整为中子星模型的结果|$(M,R)=(1.4\,\text{米}_\10公里)$|,|$(1.6\,\text{米}_\里程,12\{rm km})$|,以及|$(1.8\,\text{米}_\里程,14\{rm km})$|.
现在,我们通过将观测到的高频QPO识别为地壳扭振的第一泛音来限制。虽然在SGR 1806–20和SGR 1900+14中观察到的大多数QPO的中心频率低于160 Hz,但在SGR 180–20中也观察到626.5和1837 Hz的QPO。这种高频可能来自扭转振荡以外的其他原因,例如中子星的极谱振荡,但在本研究中,我们简单假设观测到的QPO来自纯粹的地壳扭转振荡。然后,有理由将626.5 Hz的QPO确定为某些У的地壳扭振的第一泛音。通过理所当然地认为这一识别,并且通过回顾计算出的第一泛频频率与У的距离很近,我们可以通过比较以下计算结果来限制Д的值:1t吨2626.5 Hz,如图所示13从该图中可以观察到,对于|$1.4\,\text美元{米}_\奥托$|中子星R(右)=10、12和14 km,如果N个秒/N个d日在圆柱核相中=1。类似地,对于不同的中子星质量,可以获得最佳的∏值,如图所示14。我们发现每个R(右),随着M(M)这是因为ΔR(右),通常表现为ΔR(右)/R(右)≃ 2.1 × 10−2(R(右)/M(M))(1 − 2M(M)/R(右))(Sotani等人。2017年b),随压实度减小M(M)/R(右).
图13。
拟合公式(方程式14)根据以下计算进行调整1t吨2为获得|$1.4\,\text美元{米}_\奥托$|中子星R(右)=10 km(实线)、12 km(虚线)和14 km(虚线上)N个秒/N个d日在圆柱核相中=1。SGR 1806−20中观察到的626.5 Hz QPO也显示为点-虚线。
图14。
通过以下方式获得的最佳值,可以解释观测到的QPO 626.5 Hz1t吨2绘制了各种中子星模型R(右)=10、12和14公里,|$M=1.4,1.6,\text{和}\1.8\,\text{米}_\奥多特$|,以及N个秒/N个d日在圆柱核相中=1。
一旦我们获得了对L(左)和K(K)0,我们可以获得有关M(M)和R(右)与QPO关联的紧凑对象。事实上,对于每个中子星模型,我们可以导出L(左)以这样的方式解释在SGR 1806–20中观察到的低洼QPO,26 Hz的QPO除外,如图所示6在以下情况下N个秒/N个d日在圆柱核相中=1。通过结合这一点L(左)如图14,然后我们可以约束K(K)0对于每个中子星模型,通过K(K)0= (ς9/L(左)5)1/4.的合成值K(K)0如图所示15带有填充标记和实线。另一方面K(K)0受到核巨单极子共振实验的限制,例如。K(K)0=230±40兆电子伏(Khan和Margueron2013). 我们对K(K)0虽然它仍然依赖于模型(参见,例如Stone等人。2014). 此约束K(K)0,如图所示15,导致M(M)≃ 1.4–|1.5美元\,\text{米}_\奥托$|对于R(右)=14 km,推测M(M)≃ 1.2–|$1.4\,\text美元{米}_\奥托$|对于R(右)=13 km,根据当前计算推断,这是在SGR 1806–20至626.5 Hz范围内观察到的QPO最喜欢的中子星模型。这表明SGR 1806–20中的紧凑物体质量相对较低,半径较大。在以下情况下也可以获得类似的结果N个秒/N个d日=0,在圆柱核相,如图所示15带有开放标记和虚线。我们顺便指出,从图中判断,质量更低、半径更小的恒星模型可能是可以接受的15,但这样的模型将导致更大的最优值L(左)这可能与低质量中子星的质量-半径关系的系统分析不一致(Sotani et al。2014). 我们还注意到,对SGR 1806–20中子星模型的同样约束是从中子星物质的EOS模型集合中获得的(Deibel,Steiner&Brown2014).
图15。
上的约束K(K)0通过组合上的约束获得L(左)在SGR 1806–20中观测到的QPO中,为各种中子星模型绘制了∏N个秒/N个d日=1(用实线填充标记)和N个秒/N个d日=0(带虚线的开放标记),在圆柱形核的阶段。绘制区域表示对K(K)0(汗和玛格伦2013).
考虑到SGR 1806–20中子星模型的当前约束,我们可以大大改进L(左)超过图中所示9和10事实上M(M)和R(右)上述约束导致了L(左)根据SGR 1806–20至626.5 Hz中观察到的QPO,约为62–73(58–70)MeVN个秒/N个d日=1(0)在圆柱核相。在不确定性范围内N个秒/N个d日,我们最终可以获得L(左)≃58–73 MeV,这似乎与现有的经验限制一致L(左)(Tsang等人。2012; 定时器2014; Newton等人。2014; Baldo&Burgio公司2016). 对于这些偏爱的人L(左)值大于50 MeV时,意大利面区域通常较窄。因此,圆柱核预计对偏爱的L(左)值。事实上,泛音频率1t吨2通过忽略圆柱核的存在进行计算(Sotani等人。2012)基本上位于通过以下方法获得的当前结果之间N个秒/N个d日=0和1,在圆柱形核的相中。我们注意到,如前一小节所述,26 Hz QPO可以用圆柱孔核和球孔核相位中的扭振来解释,而1837 Hz QPO则可以用某些特定地壳扭振的泛音来解释n个另一方面,Pumpe等人指出的频率小于10Hz的QPO的可能新发现。(2018)是一个真实的信号,情况会变得更加复杂。事实上,新的候选QPO频率太低,无法根据纯粹的地壳扭振来确定。然后,可能必须考虑另一种振荡机制,如磁振荡。
5结论
我们通过新评估圆柱形核的三角形晶格的剪切模量,系统地计算了在由球形和圆柱形核组成的地壳区域中激发的扭转振荡的基频和泛音本征频率,使其与中子的平衡构型一致从不同的OI-EOS集合中获得的恒星物质。作为解释观测到的QPO频率的第一步,我们重点关注地壳内部的剪切振荡。尽管存在剪切振荡与穿透核心的磁场的相互作用,但我们宁愿忽略本工作中的所有相关复杂因素,并改进与纯地壳剪切模式计算相关的不确定性。事实上,包括EOS参数不确定性的综合研究L(左)和K(K)0,在夹带参数中N个秒/N个d日圆柱核的相位和中子星参数M(M)和R(右)允许我们在计算的本征频率和观测的QPO频率之间进行定量比较。上的合成约束L(左)低频QPO数据与之前通过忽略柱形核相位非零剪切模量的影响而获得的约束很接近,但导致了对M(M)和R(右)通过高频QPO数据和经验约束K(K)0。此信息关于M(M)和R(右)帮助我们进一步约束L(左)约58–73 MeV。
为了更好地估计地壳扭振的本征频率,我们还必须考虑壳层和配对效应对球形核相电荷数的影响,非零配对间隙对卷吸效应的影响,以及地壳多分散性、磁场、,和塑性影响磁星相关情况下的剪切运动(van Hoven&Levin2011; Kobyakov&Pethick公司2015; 着陆器2016). 所有这些影响肯定会改变本征频率的模式,导致对L(左)此外,关于目前在SGR 1806–20中观察到的26 Hz QPO,我们所能提到的全部是它可能是由圆柱孔核和球孔核组成的区域中的基波∏=2扭振型引起的。如果这种模式发生在地壳最深的区域,在光线曲线中是否可以观察到,还有待证实。
致谢
这项工作得到了日本科学促进会(JSPS)提供的第17K05458号科学研究补助金(C)的部分支持,以及教育、文化、体育部提供的第24105008号创新领域科学研究补助金的部分支持,日本科学技术(MEXT)。
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©2018作者由牛津大学出版社代表皇家天文学会出版