[论文解读] How long-range interactions tune the damping in compact stars

Kai Schwenzer|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2012

High-pressure geophysics and materials参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文表明，密集夸克物质中的长程相互作用——特别是未屏蔽磁胶子引起的非费米液体效应——显著增强了体积粘性，使其共振峰发生偏移，并使阻尼增加数个数量级。这种增强的阻尼稳定了致密星中的r模振荡，解释了为何观测到的高自旋频率低质量X射线双星（LMXB）避开r模不稳定性窗口，只有在包含此类强相互作用修正时，才与数据一致。

ABSTRACT

Long-range interactions lead to non-Fermi liquid effects in dense matter. We show that, in contrast to other material properties, their effect on the bulk viscosity of quark matter is significant since they shift its resonant maximum and can thereby change the viscosity by many orders of magnitude. This is of importance for the damping of oscillations of compact stars, like in particular unstable r-modes, and the quest to detect signatures of deconfined matter in astrophysical observations. We find that, in contrast to neutron stars with standard damping mechanisms, compact stars that contain ungapped quark matter are consistent with the observed data on low mass x-ray binaries.

研究动机与目标

• 研究长程胶子相互作用引起的非费米液体效应如何影响致密夸克物质的体积粘性。
• 确定这些相互作用是否能解决理论r模不稳定性预测与缓慢自转的低质量X射线双星（LMXB）观测之间的差异。
• 评估无能隙夸克物质相中增强的阻尼是否能稳定高频率下的r模，与天体物理数据一致。
• 将夸克物质中的阻尼效应与标准强子模型进行比较，特别是在r模饱和和引力波辐射的背景下。

提出的方法

• 本研究将致密夸克物质中非轻子过程 $d + u \leftrightarrow u + s$ 的弱相互作用速率计算扩展至包含未屏蔽磁胶子引起的非费米液体（NFL）修正。
• 采用修正的夸克色散关系以体现NFL行为：$p_i \approx p_{Fi} + v_{Fi}^{-1}\left(\left(1 + \sigma\log\left(\frac{\Lambda}{E_i - \mu_i}\right)\right)(E_i - \mu_i) - \delta\mu_i\right)$，其中 $\sigma \sim \alpha_s$ 且 $\Lambda \sim 0.28m$。
• 在亚热区（$\mu_\Delta \ll T$）中使用修正的色散关系计算体积粘性，该关系增加了费米面附近的态密度并改变了弱相互作用速率。
• 分析采用强耦合 $\alpha_s = 1$ 的硬致密线（HDL）近似以模拟非微扰效应，表明NFL修正主导于微扰修正。
• 针对 $1.4\,M_\odot$ 星体计算r模不稳定性窗口，比较标准强子阻尼与NFL增强的夸克物质阻尼。
• 将结果与LMXB的观测数据进行比较，以检验与观测到的高自旋频率的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 长程、未屏蔽的磁胶子相互作用如何改变致密夸克物质中的色散关系和态密度？
• RQ2 这些相互作用引起的非费米液体效应在多大程度上增强了无能隙夸克物质的体积粘性？
• RQ3 NFL效应引起的增强体积粘性是否能稳定致密星中的r模，从而解释低质量X射线双星的观测自旋频率？
• RQ4 为何观测到的LMXB（$T \lesssim 10^7\,\text{K}$ 且自旋速率高）避开标准模型预测的r模不稳定性窗口？
• RQ5 观测一致性是否仅在包含夸克物质中强相互作用修正的模型中实现，还是强子机制也能解释这些观测？

主要发现

• 未屏蔽磁胶子引起的非费米液体效应显著增加了费米面附近的态密度，导致无能隙夸克物质中体积粘性强烈增强。
• 由于NFL修正，体积粘性的共振峰发生偏移，在相关温度和频率下其大小变化达多个数量级。
• 在强耦合（$\alpha_s = 1$）条件下，无能隙夸克物质中增强的阻尼使 $1.4\,M_\odot$ 星体的r模不稳定性窗口移出观测区域，与LMXB数据一致。
• 相比之下，标准强子模型（通过Urca过程产生剪切和体积粘性）将大多数观测到的LMXB置于不稳定性区域内，与观测矛盾。
• NFL增强的夸克物质阻尼所提供的稳定性窗口能够稳健解释为何不存在自旋频率约为300 Hz且 $T \lesssim 10^7\,\text{K}$ 的脉冲星，因为这类恒星会因r模增长而不稳定。
• 该结果可推广至混合星以及某些具有无能隙夸克的色超导相，但不适用于缺乏长程色相互作用的超子星。