[논문 리뷰] 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)|2015. 09. 07.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 77인용 수 34

한 줄 요약

이 논문은 저질량 밀도의 은하계 별이 강입자 성분을 띠며, 더 질량이 큰 별은 쿼크 별이 되는 두 가족 시나리오를 제안한다. 이는 두 단계로 나누어 핵심 전환을 모델링한다: 밀리초 단위의 급속한 불안정성에 의해 유도되는 핵심 전환과, 약 10초 동안의 스트랭지니스 확산을 통한 느린 표면 전환으로, 이는 장수 및 단수 감마선 폭발(GRBs)과 초신성에 중요한 함의를 지닌다.

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.

연구 동기 및 목표

• 두 가족 시나리오 내에서 밀도 있는 별 내에서 강입자 물질에서 쿼크 물질로의 동적 전환을 모델링하기 위해.
• 유체역학적 불안정성과 스트랭지니스 확산이 상전이 과정에서 수행하는 역할을 조사하기 위해.
• 쿼크 탈구속이 장수 및 단수 감마선 폭발(GRBs)에 미치는 현상학적 함의를 탐색하기 위해.
• 특히 질량이 큰 원자로에서의 초신성 폭발에 쿼크 탈구속이 미치는 영향을 평가하기 위해.
• GRB, 중력파, 밀도 있는 별의 반지름과 같은 관측 가능 서명을 통해 두 가족 시나리오의 타당성을 시험하기 위해.

제안 방법

• 쿼크 물질의 절대 안정성에 대한 보더-위튼 가설을 사용하여 강입자 물질에서 쿼크 물질로의 상태 방정식(EoS) 전환을 분석한다.
• 두 단계로 전환을 모델링한다: 약 ~1–2 ms 동안 지배적인 유체역학적 불안정성에 의해 유도되는 빠른 핵심 전환과, 약 10초 동안의 스트랭지니스 확산을 통한 느린 표면 전환.
• GRB 빛의 곡선과 에너지 수준을 설명하기 위해 프로토-자장별 모델을 기준 프레임워크로 적용한다.
• 세 가지 형성 경로를 고려한다: LMXB 내 질량 축적, 지연된 탈구속을 동반한 초신성 후 붕괴, 이중 중성자별 융합.
• 융합에서 최대 약 ~50 MeV까지의 온도와 약한 상호작용이 물방울 형성과 스트랭지니스 평형화를 가능하게 하는 역할을 평가한다.
• 폭발성 연소에 의한 질량 방출과 쿼크-노바 폭발 모델을 비교하며, 질량 방출과 에너지 방출에 있어 연소가 더 타당한 메커니즘임을 지지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀도 있는 별 내에서 강입자 물질에서 쿼크 물질로의 전환이 어떻게 동적으로 진행되는가?
• RQ2 유체역학적 불안정성과 스트랭지니스 확산은 상전이 과정에서 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 쿼크 탈구속이 장수 감마선 폭발의 두 번째 피크와 관련된 초신성의 부재를 설명할 수 있는가?
• RQ4 이중 중성자별 융합에서의 쿼크 탈구속은 단수 감마선 폭발의 지속 시간과 방출 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 쿼크 탈구속은 특이한 초신성인 SN 2006gy의 후기 X선 방출과 스펙트럼 특성에 얼마나 잘 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 강입자 물질에서 쿼크 물질로의 전환는 두 단계로 이루어지며, 유체역학적 불안정성에 의해 유도되는 약 ~1–2 ms 동안의 빠른 핵심 전환과, 스트랭지니스 확산을 통한 약 10초 동안의 느린 표면 전환으로 구성된다.
• 이중 중성자별 융합 직후에 쿼크 별이 즉시 형성되는 것은 두 가족 시나리오의 직접적이고 검증 가능한 예측이며, 이는 이러한 융합이 블랙홀이 아닌 쿼크 별을 생성한다는 것을 암시한다.
• 쿼크 탈구속은 상당수의 장수 감마선 폭발에서 두 번째 피크를 설명할 수 있으며, 이는 초신성 이전에 발생하지 않는 후기 에너지 방출 메커니즘을 암시한다.
• 일부 장수 감마선 폭발에서 초신성이 관측되지 않는 것은 쿼크 탈구속이 후기 에너지 공급원으로 작용함으로써 설명될 수 있으며, 이는 경계적으로 실패한 초신성 폭발을 재활성화할 수 있다.
• 전환 과정은 단수 감마선 폭발의 지속 시간을 제한할 수 있으며, 융합 후 쿼크 별 형성이 중력파 및 전자기 신호에 특징적인 특징을 남긴다.
• 폭발성 연소에 의한 질량 방출은 폭발 모델보다 더 타당한 메커니즘으로, 일부 GRB 및 초신성 현상에 대해 더 일관된 설명을 제공한다.