[论文解读] A new quark-hadron hybrid equation of state for astrophysics - I. High-mass twin compact stars

Sanjin Benić, D. Blaschke+3 more|Repository of the Faculty of Science, University of Zagreb|Nov 11, 2014

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 58被引用 19

一句话总结

本文提出了一种新的夸克-强子混合方程态（EoS），在强子相中引入了排除体积效应，并在夸克相中考虑了高阶排斥相互作用，从而实现了具有大潜热的强一阶相变。这导致形成一个不连通的第三类致密星——大质量双星系统，其中两颗质量相同（≈2 M⊙）的恒星半径差异可达1公里，为一阶夸克-强子相变提供了独特的观测特征。

ABSTRACT

Aims: We present a new microscopic hadron-quark hybrid equation of state model for astrophysical applications, from which compact hybrid star configurations are constructed. These are composed of a quark core and a hadronic shell with a first-order phase transition at their interface. The resulting mass-radius relations are in accordance with the latest astrophysical constraints. Methods: The quark matter description is based on a quantum chromodynamics (QCD) motivated chiral approach with higher-order quark interactions in the Dirac scalar and vector coupling channels. For hadronic matter we select a relativistic mean-field equation of state with density-dependent couplings. Since the nucleons are treated in the quasi-particle framework, an excluded volume correction has been included for the nuclear equation of state at suprasaturation density which takes into account the finite size of the nucleons. Results: These novel aspects, excluded volume in the hadronic phase and the higher-order repulsive interactions in the quark phase, lead to a strong first-order phase transition with large latent heat, i.e. the energy-density jump at the phase transition, which fulfils a criterion for a disconnected third-family branch of compact stars in the mass-radius relationship. These twin stars appear at high masses ($\sim$ 2 M$_\odot$) that are relevant for current observations of high-mass pulsars. Conclusions: This analysis offers a unique possibility by radius observations of compact stars to probe the QCD phase diagram at zero temperature and large chemical potential and even to support the existence of a critical point in the QCD phase diagram.

研究动机与目标

• 构建一个基于QCD动机的微观混合方程态，支持质量高达2 M⊙的稳定致密星结构。
• 通过确保一阶相变来解决‘伪装问题’，使夸克-强子混合星与中子星区分开来。
• 在强子相中引入排除体积效应，并在夸克相中引入高阶相互作用，以产生足够大的潜热，从而稳定第三类星体。
• 生成与当前天体物理约束一致的质量-半径关系，包括大质量脉冲星和典型星体半径。
• 提供可检验的预测：质量相同但半径显著不同的大质量双星，可通过未来的X射线任务观测到。

提出的方法

• 使用具有标量和矢量通道高阶自相互作用的标量-夸克-介子模型来描述夸克物质，增强高密度下的排斥作用。
• 采用具有密度依赖耦合的相对论平均场EoS描述强子物质，并通过排除体积修正来考虑超饱和密度下核子的有限尺寸。
• 应用Tolman-Oppenheimer-Volkoff（TOV）方程，从混合EoS计算恒星结构和质量-半径关系。
• 通过调节高阶夸克相互作用的强度，探索不同相变特性及其对致密星序列的影响。
• 通过验证声速在所有相中均保持在物理范围内，确保因果性和稳定性。
• 将所得EoS与来自大质量脉冲星（如PSR J0348+0432）和典型星体（M ≈ 1.7 M⊙，半径≈14–17 km）的观测约束进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在致密物质中，一阶夸克-强子相变是否会导致即使在高质​​量（~2 M⊙）下也形成不连通的第三类致密星？
• RQ2 在强子相中引入排除体积效应，并在夸克相中引入高阶排斥相互作用，是否能产生足够大的潜热以稳定此类第三类星体？
• RQ3 所得的质量-半径关系是否与当前天体物理观测一致，包括大质量脉冲星和典型中子星半径？
• RQ4 双星现象——质量相同但半径不同的两颗恒星——是否可在高质​​量下被观测到，其观测特征是什么？
• RQ5 未来的X射线任务（如NICER、SKA或NUSTAR）能否分辨双星现象，这对QCD相图意味着什么？

主要发现

• 在强子相中引入排除体积效应后，中等质量中子星的半径增大，与观测约束的符合度提高。
• 混合EoS产生强一阶相变，具有大潜热，从而促成不连通的第三类致密星的形成。
• 稳定的混合星首先具有微小的夸克核心，随后出现不稳定的分支，但因强高阶夸克排斥相互作用而重新稳定。
• 所有配置均满足因果性，稳定混合分支的最大质量超过2 M⊙，与观测到的大质量脉冲星一致。
• 质量≈2 M⊙的大质量双星可具有高达约1公里的半径差异，提供独特的观测特征。
• 该模型为在零温、大重子密度下探测QCD相图提供了可行路径，可能支持临界点的存在。