[논문 리뷰] The scenario of two families of compact stars. Part 2: Transition from hadronic to quark matter and explosive phenomena

A. Drago, Giuseppe Pagliara|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 26.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 165인용 수 38

한 줄 요약

이 논문은 밀집된 항성에서 강입자 물질에서 쿼크 물질로의 이중 단계 전이 모델을 제안한다. 여기서 빠른 중심 탈구속화(수밀리초 내)가 유체역학적 불안정성을 유도하고, 이어 10초 정도의 시간에 걸쳐 난류의 스트랜지성 확산을 통해 느린 표면 전환이 일어난다. 이 모델은 장수 및 단수 긴 감마선 폭발(GRBs)의 주요 특징과 연결되며, 장수 GRB의 두 번째 피크와 단수 GRB의 지속시간 한계를 설명한다. 또한 초신성 폭발 없이도 쿼크 물질 형성이 가능할 수 있음을 시사한다.

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 ⊙ 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 as far as 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 (GRBs), 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

• 이중 가족 시나리오에서 밀집 항성 내 강입자 물질에서 쿼크 물질로의 동적 전이를 설명하기 위해.
• 쿼크 탈구속화가 장수 및 단수 감마선 폭발(GRBs)의 현상학적 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 약 10초 동안 별의 표면에 도달할 수 있도록 전환 과정을 가능하게 하는 스트랜지성 확산의 역할을 탐색하기 위해.
• 쿼크 탈구속화가 수반되는 초신성 폭발 없이도 관측된 GRB 특징을 설명할 수 있는지 평가하기 위해.
• 특히 매우 거대한 원자성에서의 초신성 유형에 대해 쿼크 물질 형성의 잠재적 역할을 재평가하기 위해.

제안 방법

• 이중 단계 과정으로 전이를 모델링: 약 1ms 지속되는 빠른 불안정성 주도 중심 전환과 약 10초 동안의 느린 확산 제한 표면 전환.
• 쿼크 탈구속화와 관련된 GRB 현상학을 분석하기 위해 원형 자기폭발자 모델을 기준 프레임워크로 사용.
• 별의 핵에서 쿼크 물질 형성의 초기 단계를 가속화하는 유체역학적 불안정성 분석.
• 전환 과정이 별의 표면으로 퍼지도록 가능하게 하는 핵심 메커니즘으로서 스트랜지성의 생성 및 확산 추적.
• 저질량 항성은 강입자이고 고질량 항성은 쿼크 항성인 이중 가족 시나리오를 적용하여 전이 역학을 제약.
• 이론적 예측을 장수 및 단수 GRB의 관측적 특징(예: 광도 곡선 구조 및 지속시간)과 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀집 항성에서 강입자 물질에서 쿼크 물질로의 전이가 어떻게 동적으로 진행되며, 그 이중 단계 성격을 이끌어내는 요인은 무엇인가?
• RQ2 쿼크 탈구속화가 장수 감마선 폭발의 상당수에서 관측되는 두 번째 피크를 설명할 수 있는가?
• RQ3 장수 GRB는 초신성 폭발 없이 발생할 수 있으며, 만약 그렇다면 어떤 메커니즘이 이를 유도할 수 있는가?
• RQ4 쿼크 탈구속화는 단수 감마선 폭발의 지속시간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 쿼크 물질 형성은 매우 거대한 항성 원자성의 폭발 메커니즘에서 어떤 역할을 할 수 있는가?

주요 결과

• 강입자 물질에서 쿼크 물질로의 전이는 두 단계로 이루어지며, 약 1ms 지속되는 빠른 불안정성 주도 중심 전환과 약 10초 동안의 스트랜지성 확산을 통한 느린 표면 전환으로 구성된다.
• 장수 GRB의 상당수에서 관측되는 두 번째 피크는 쿼크 탈구속화 과정 중, 특히 두 번째 전환 단계에서 에너지가 방출되면서 발생할 수 있다.
• 쿼크 탈구속화는 관련 초신성 폭발이 없는 이중성계에서의 장수 GRB를 설명할 수 있으며, 이는 다른 촉발 메커니즘을 시사한다.
• 쿼크 탈구속화의 역학, 특히 두 번째 단계의 시간 스케일은 단수 GRB의 지속시간을 관측된 값으로 자연스럽게 제한할 수 있다.
• 매우 거대한 원자성의 폭발 메커니즘에서 쿼크 물질 형성이 핵심적인 역할을 할 수 있으며, 전통적인 초신성 모델을 변화시킬 수 있다.
• 핵에서의 유체역학적 불안정성은 초기 탈구속화 과정의 효율성과 속도를 크게 향상시키며, 전이의 주요 추진력이 된다.