[論文レビュー] Signal for the Quark-Hadron Phase Transition in Rotating Hybrid Stars

Fridolin Weber, Norman K. Glendenning+1 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 1997

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、クォーク物質核を有するハイブリッド星（回転する中性子星）が、クォーク＝ハドロン相転移の観測可能な兆候を示しうることを提唱している。これは、単一成分モデルによる過剰な簡素化が原因で、従来は中性子星内での相転移が除外されていたとされる仮定に挑戦するものである。多成分星の構造をモデル化し、クォークとハドロン物質の混合相を考慮することで、著者らは回転周波数の変化と重力波放射を、星の核内にクォーク物質が存在することを示す主要な信号として特定した。

ABSTRACT

For the past 20 years it had been thought that the coexistence phase of the confined hadronic and quark matter phases, assumed to be a first order transition, was strictly excluded from neutron stars. This, however, was due to a seemingly innocuous idealization which has approximated away important physics. The reason is that neutron stars constitute multi-component bodies rather than single-component ones formerly (and incorrectly) used to describe the deconfinement phase transition in neutron stars. So, contrary to earlier claims, `neutron' stars may very well contain quark matter in their cores surrounded by a mixed-phase region of quark and hadronic matter. Such objects are called hybrid stars. The structure of such stars as well as an observable signature that could signal the existence of quark matter in their cores are discussed in this paper.

研究の動機と目的

• 単一成分モデルによる誤った仮定が原因で、クォーク＝ハドロン相転移が中性子星で除外されていたという事態を再評価すること。
• 多成分モデルで今や可能とされるクォークとハドロン物質の混合相が、中性子星に与える構造的影響を調査すること。
• 核内にクォーク物質が存在することを示す兆候として、回転周波数の変化や重力波放射といった観測可能な信号を同定すること。
• 回転ダイナミクスと相転移の兆候を用いて、コンパクト星内のクォーク物質を検出するための現象論的枠組みを提供すること。
• 星の状態方程式モデルの誤った理想化が原因で、クォーク物質が中性子星に存在できないとされた過去の理論的主張を是正すること。

提案手法

• 単一成分の振る舞いを仮定するのではなく、ハドロン物質とクォーク物質の両方が共存する多成分系として中性子星をモデル化すること。
• クォーク＝ハドロン相転移に一次相転移の枠組みを適用し、組成が変化する混合相領域を組み込むこと。
• 相対論的平均場理論とMITバッグモデルを用いて、ハドロン物質およびクォーク物質の両方の状態方程式を記述すること。
• 混合相状態方程式を用いて、質量-半径関係および回転特性を決定するため、Tolman-Oppenheimer-Volkoff (TOV) 方程式を用いて星の構造を計算すること。
• 回転星における相転移ダイナミクスに起因する周囲周波数の変化や重力波放射の可能性といった回転効果を分析すること。
• 回転するハイブリッド星における回転周波数の変化やエネルギー損失率の変化を通じて、相転移信号の検出可能性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多成分効果を適切に考慮した場合、中性子星の核内にクォーク物質が存在しうるか？
• RQ2 回転するハイブリッド星において、クォーク＝ハドロン相転移の存在を示す観測可能な兆候は何か？
• RQ3 回転ダイナミクスは、ハイブリッド星内の混合相領域の安定性と検出可能性にどのように影響するか？
• RQ4 混合相領域は、ハイブリッド星の状態方程式および星の構造をどのように変化させるか？
• RQ5 重力波放射や回転周波数の変化は、コンパクト星内での一次相転移としてのクォーク＝ハドロン相転移を検出可能な信号として機能しうるか？

主な発見

• 本稿は、混合相領域を通じてクォーク物質とハドロン物質が中性子星の核内で共存しうることを示しており、これまではその共存が除外されていたという従来の仮定に反するものである。
• ハイブリッド星における回転効果は、測定可能な回転周波数の変化を引き起こし、これがクォーク＝ハドロン相転移の検出可能な兆候となる可能性がある。
• 混合相の存在は状態方程式を変更し、標準の中性子星モデルとは異なる明確な質量-半径関係を生じさせる。
• 回転星における相転移ダイナミクス中に発生する重力波放射は、特にスピンダウンまたはスピンアップの際に、相転移の検出可能な兆候となる可能性がある。
• 本研究は、単一成分星の理想化が誤って中性子星内にクォーク物質が存在できないとしていた過去の理論的主張を是正した。
• 分析の結果、クォーク核を有するハイブリッド星は回転下でも動的に安定であり、標準の中性子星の振る舞いとは観測可能なずれを示すことが示唆された。