[論文レビュー] 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)|Feb 26, 2016

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 165被引用数 38

ひとこと要約

本稿では、白色矮星からクォーク物質への二段階的転移モデルを提案する。中心部の急速な脱コンfinメント（数ミリ秒以内）が流体力学的不安定性を引き起こし、その後、約10秒間にわたりストレンネス拡散によって表面への変換が遅く進行する。このモデルは、長期間および短期間のガンマ線バースト（GRB）の主要特徴と関連づけ、長期間GRBの第2ピークと短期間GRBの持続時間制限を説明し、超新星爆発を伴わないクォーク物質形成の可能性を示唆する。

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.

研究の動機と目的

• 2つの家族のシナリオにおいて、白色矮星内でのバリオン物質からクォーク物質への動的転移を説明すること。
• クォーク脱コンフィnementが長期間および短期間のガンマ線バースト（GRB）の現象論的特徴に与える影響を調査すること。
• 約10秒間で星の表面に達するように変換過程を可能にするストレンネス拡散の役割を探索すること。
• クォーク脱コンフィnementが付随する超新星爆発なしに観測されたGRBの特徴を説明できるかどうかを評価すること。
• とりわけ非常に質量の大きな前身星からの場合に、クォーク物質形成が果たす可能性のある役割を再評価すること。

提案手法

• 2段階的プロセスとしての転移をモデル化：約1 ms続く高速で不安定性駆動の中心部変換の後、約10秒間にわたり拡散制限による遅い表面変換。
• クォーク脱コンフィnementと関連するGRB現象論を分析するためのフレームワークとして、プロト磁星モデルを用いる。
• 星の核内での流体力学的不安定性を分析し、クォーク物質形成の初期段階を加速する要因を特定する。
• ストレンネスの生成と拡散を追跡し、変換が星の表面にまで伝わる主要メカニズムとしての役割を評価する。
• 低質量星はバリオン星、高質量星はクォーク星であるという2つの家族のシナリオを適用し、転移ダイナミクスを制約する。
• 理論的予測を、長期間および短期間GRBの観測的特徴（光度曲線の構造や持続時間など）と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 白色矮星内でのバリオン物質からクォーク物質への転移はどのように動的に進行するのか。その二段階的性質を引き起こす要因は何か。
• RQ2 クォーク脱コンフィnementが、長期間GRBの多くに観測される第2ピークを説明できるか。
• RQ3 超新星爆発を伴わない長期間GRBが発生可能か。その場合、何がその発火を引き起こすメカニズムとなるか。
• RQ4 クォーク脱コンフィnementが短期間GRBの持続時間に与える影響は何か。
• RQ5 非常に質量の大きな星の前身星における爆発機構において、クォーク物質形成が果たす役割は何か。

主な発見

• バリオン物質からクォーク物質への転移は、2つの明確な段階で進行する：約1 ms続く高速で不安定性駆動のコア変換の後、約10秒間にわたりストレンネス拡散による遅い表面変換。
• 長期間GRBの多くに観測される第2ピークは、クォーク脱コンフィnement過程、特に変換の第2段階におけるエネルギー放出に起因する可能性がある。
• クォーク脱コンフィnementは、付随する超新星爆発のない連星系内での長期間GRBを説明でき、代替的な発火メカニズムを示唆する。
• クォーク脱コンフィnementのダイナミクス、特に第2段階の timescale が、短期間GRBの持続時間を観測値に自然に制限する要因となる可能性がある。
• 非常に質量の大きな前身星の爆発機構において、クォーク物質形成が重要な役割を果たす可能性があり、従来の超新星モデルを変える要因となる。
• コア内での流体力学的不安定性の存在は、初期の脱コンフィnementプロセスの効率と速度を顕著に向上させ、転移の主要駆動要因となる。