[论文解读] Explosive Combustion of a Neutron Star into a Quark Star: the non-premixed scenario

Rachid Ouyed, Brian Niebergal+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2013

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用 15

一句话总结

本文研究了中子星物质通过非预混燃烧机制爆炸性转化为奇异夸克物质的过程，其中奇异夸克的扩散驱动反应前缘。利用包含中微子辐射和反应-扩散耦合的1维流体动力学模拟，研究发现火焰速度可达约0.01c，并识别出一种新型的去轻子化不稳定性，可能触发从爆燃到爆轰的转变，表明存在一条可行的夸克超新星爆炸路径。

ABSTRACT

We review aspects of the hydrodynamical combustion of nuclear matter to strange quark matter in a neutron star. Numerical studies on non-premixed combustion that consistently include hydrodynamical flows in a reactive-diffusive setup show that in 1D, the conversion (burning) front moves at sub-sonic speeds. Although the front eventually comes to a halt (in the star's reference frame), it still has ud matter falling onto it, and so is capable of converting the rest of the star. However, in the process, we also find that neutrino cooling of the interface causes it to wrinkle, laying a platform for a deflagrative-to-detonative transition (DDT). We outline progress on improvements in the burning code (Burn-UD: http://quarknova.ucalgary.ca/software/Burn-UD/) that will ultimately reveal the mechanism that can explode the outermost layers of even a dense compact object like a neutron star.

研究动机与目标

• 使用非预混燃烧框架对中子星中从中子物质向奇异夸克物质的相变进行建模。
• 研究该相变是否能导致能量的爆炸性释放，从而可能解释夸克超新星现象。
• 评估中微子辐射和扩散在控制火焰速度和稳定性方面的作用。
• 确定爆燃向爆轰转变的条件，以实现恒星的完全破坏。
• 为未来多维奇异夸克物质燃烧研究提供一个公开可用的模拟框架（Burn-UD）。

提出的方法

• 使用1维流体动力学代码（Burn-UD）进行数值模拟，耦合反应、扩散与流体动力学。
• 在燃烧前方面包含强子向夸克转换的能量释放以及中微子辐射。
• 采用MIT袋模型描述奇异夸克物质和强子物质的状态方程。
• 应用经过修改的跃迁条件，包含温度和中微子效应，而非假设纯粹由压力驱动的流动。
• 对未燃烧的中子物质与已燃烧的奇异夸克物质之间的界面进行建模，其行为由奇异夸克扩散而非热扩散控制。
• 在不同条件下分析火焰速度与稳定性，包括冷却和中微子损失的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 中子物质向奇异夸克物质的燃烧能否通过非预混机制实现爆炸性进行？
• RQ2 此类相变中可达到的最大火焰速度是多少？是否接近相对论性速度？
• RQ3 中微子辐射和冷却如何影响燃烧前缘的稳定性和传播？
• RQ4 该系统中是否存在可触发爆燃向爆轰转变的物理机制？
• RQ5 与预混燃烧模型相比，扩散和反应动力学在多大程度上限制了燃烧速度？

主要发现

• 模拟结果显示火焰速度最高可达约0.01c，表明该相变为高度能量化且快速的过程。
• 识别出一种新型的去轻子化不稳定性，可能使爆燃前缘失稳并导致爆轰。
• 中微子辐射显著改变了界面处的温度分布和跃迁条件，与理想化模型相比，火焰速度降低不到一个数量级。
• 由于由奇异夸克扩散而非热点火控制，该燃烧过程为非预混性质，导致火焰传播速度较慢，但物理上更准确。
• 结果表明，无论是爆轰还是由吸积物质回落引发的内核反弹爆炸，都可能产生第二次能量爆发，支持夸克超新星假说。
• Burn-UD代码作为模块化工具发布，可用于未来多维奇异夸克物质燃烧模拟。