[論文レビュー] The scenario of two families of compact stars 2. Transition from hadronic to quark matter and explosive phenomena

A. Drago, Giuseppe Pagliara|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 77被引用数 34

ひとこと要約

本稿では、低質量のコンパクト星がハドロン星である一方、より質量の大きな星はクォーク星である二つの星族のシナリオを提案する。この研究では、ハドロン物質からクォーク物質への遷移を二段階の過程としてモデル化する。第一段階はミリ秒未塔の高速で不安定性に駆られたコア変換であり、第二段階は約10秒にわたるストレンジネス拡散による遅い表面変換である。この遷移は、長期間のガンマ爆発（GRB）および短時間のガンマ爆発（GRB）と超新星爆発に重要な示唆をもたらす。

ABSTRACT

We will follow the two-families scenario described in the accompanying paper, in which compact stars having a very small radius and masses not exceeding about 1.5$M_\odot$ are made of hadrons, while more massive compact stars are quark stars. In the present paper we discuss the dynamics of the transition of a hadronic star into a quark star. We will show that the transition takes place in two phases: a very rapid one, lasting a few milliseconds, during which the central region of the star converts into quark matter and the process of conversion is accelerated by the existence of strong hydrodynamical instabilities, and a second phase, lasting about ten seconds, during which the process of conversion proceeds till the surface of the star via production and diffusion of strangeness. We will show that these two steps play a crucial role in the phenomenological implications of the model. We will discuss the possible implications of this scenario both for long and for short Gamma Ray Bursts, using the proto-magnetar model as the reference frame of our discussion. We will show that the process of quark deconfinement can be connected to specific observed features of the GRBs. In the case of long GRBs we will discuss the possibility that quark deconfinement is at the origin of the second peak present in quite a large fraction of bursts. Also we will discuss the possibility that long GRBs can take place in binary systems without being associated with a SN explosion. Concerning short GRBs, quark deconfinement can play the crucial role in limiting their duration. Finally we will shortly revisit the possible relevance of quark deconfinement in some specific type of Supernova explosions, in particular in the case of very massive progenitors.

研究の動機と目的

• 二つの星族のシナリオにおいて、コンパクト星内でのハドロン物質からクォーク物質への動的遷移をモデル化すること。
• 流体力学的不安定性およびストレンジネス拡散が相転移過程に果たす役割を調査すること。
• クォーク脱コンフィネーションが長期間および短時間のガンマ爆発（GRB）に与える現象的意味を探索すること。
• 特に質量の大きな前身星を持つ場合に、クォーク脱コンフィネーションが超新星爆発に与える影響を評価すること。
• GRB、重力波、コンパクト星の半径といった観測的シグネチャーを通じて、二つの星族のシナリオの妥当性を検証すること。

提案手法

• クォーク物質の絶対的安定性を仮定するボーディング＝ウィッテン仮説を用いて、ハドロン物質からクォーク物質への状態方程式（EoS）の遷移を分析する。
• 遷移を二段階の過程としてモデル化する：約1〜2 ms続く流体不安定性に起因する高速なコア変換、その後に約10秒にわたるストレンジネス拡散による遅い表面変換。
• GRBの光曲線およびエネルギー放出を解釈するフレームワークとして、プロト磁星モデルを適用する。
• 三つの形成経路を検討する：LMXBsにおける質量吸着、遅延した脱コンフィネーションを伴う超新星後の崩壊、二つの中性子星の合体。
• 温度（合体時で最大約50 MeV）および弱い相互作用の役割を評価し、ドロップレット形成およびストレンジネスの平衡化を可能にする要因を検討する。
• 燃焼波駆動型の質量噴出とクォーク・ノヴァ爆発モデルを比較し、特定のGRBおよび超新星現象に対して、燃焼波駆動型がクォーク・ノヴァモデルよりもより妥当なエネルギー放出および核合成のメカニズムであると結論づける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンパクト星内でのハドロン物質からクォーク物質への遷移は、どのように動的に進行するのか？
• RQ2 流体力学的不安定性およびストレンジネス拡散は、相転移過程においてどのような役割を果たすのか？
• RQ3 クォーク脱コンフィネーションは、長期間のガンマ爆発における第二のピークおよびそれに続く超新星の欠如を説明できるか？
• RQ4 二つの中性子星の合体におけるクォーク脱コンフィネーションは、短時間のガンマ爆発（GRB）の持続時間および放射特徴にどのように影響を与えるか？
• RQ5 クォーク脱コンフィネーションは、SN 2006gyのような特異な超新星における遅延したX線放射およびスペクトル的特徴をどの程度説明できるか？

主な発見

• ハドロン物質からクォーク物質への遷移は、二つの明確な段階を経る：流体力学的不安定性に起因する約1〜2 msの高速なコア変換、その後に約10秒にわたるストレンジネス拡散による遅い表面変換。
• 二つの中性子星の合体直後にクォーク星が形成されることこそ、二つの星族のシナリオの直接的かつ検証可能な予測であり、このような合体がブラックホールではなくクォーク星を生成することを示唆する。
• クォーク脱コンフィネーションは、長期間のガンマ爆発のうち有意な割合において第二のピークを説明でき、前もって超新星が伴わない遅延したエネルギー放出のメカニズムを示唆する。
• 一部の長期間のガンマ爆発において超新星が観測されないのは、クォーク脱コンフィネーションが遅延したエネルギー源として機能し、わずかに失敗した超新星爆発を再活性化させる可能性があるためである。
• 遷移過程は短時間のガンマ爆発の持続時間を制限する可能性があり、合体後にクォーク星が形成されることで重力波および電磁的信号に特徴的な印が残る。
• 爆発波駆動型の質量噴出が、爆発（デトネーション）よりも現実的であるエネルギー放出および核合成のメカニズムを提供し、特定のGRBおよび超新星現象に対してクォーク・ノヴァモデルよりも一貫性のある説明を可能にする。