[论文解读] GW190814: Circumstantial Evidence for Up-Down Quark Star

Zheng Cao, Lie-Wen Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 14

一句话总结

本文提出，GW190814 的次星成分（质量为 2.59 M☉）更可能是一颗上-下夸克星（ud QS），而非奇异夸克星（SQS）或中子星。基于包含手征对称性恢复与夸克禁闭的束缚夸克物质模型，研究显示，若上-下夸克物质（ud QM）的稳定性高于核物质与奇异夸克物质，则其最大静态质量可达 2.87 M☉，与 GW170817 的潮汐去形因子及 NICER 对 PSR J0030+0451 和 J0740+6620 的质量-半径约束一致；而传统奇异夸克星模型则无法满足这些约束。

ABSTRACT

Within a confining quark matter model which considers phenomenologically the quark confinement and asymptotic freedom as well as the chiral symmetry restoration and quark deconfinement at high baryon density, we find that if the up-down quark matter ($ud$QM) is more stable than nuclear matter and strange quark matter (SQM), the maximum mass of static quark stars with $ud$QM is $2.87M_{\odot}$ under agreement with both the constraints on star tidal deformability from gravitational wave signal GW170817 and the mass-radius of PSR J0030+0451 and PSR J0740+6620 measured by NICER. In contrast, the conventional strange quark star with the SQM that is more stable than nuclear matter while the nuclear matter is more stable than $ud$QM, has a maximum static mass of only $1.87M_{\odot}$ and its radius significantly deviates from NICER's constraint. Our results thus provide circumstantial evidence suggesting the recently reported GW190814's secondary component with a mass of $2.59^{+0.08}_{-0.09}M_\odot$ could be an up-down quark star.

研究动机与目标

• 评估上-下夸克星（ud QS）作为 GW190814 双星系统次星成分的可行性。
• 评估在束缚夸克物质模型下，上-下夸克物质（ud QM）是否比核物质与奇异夸克物质（SQM）更稳定。
• 检验 ud QS 模型是否满足来自 GW170817（潮汐去形因子）与 NICER（PSR J0030+0451 与 J0740+6620 的质量-半径测量）的观测约束。
• 对比传统奇异夸克星（SQS）模型（假设 SQM 比核物质更稳定）与 ud QS 模型的预测结果。

提出的方法

• 采用包含夸克禁闭、渐近自由性以及高重子密度下手征对称性恢复的束缚夸克物质（CQM）模型。
• 利用 CQM 模型导出的状态方程（EOS）求解静态夸克星的结构，包括通过 Tolman-Oppenheimer-Volkoff（TOV）方程计算质量与半径。
• 应用来自 GW170817 的潮汐去形因子（Λ ~ 300）与 NICER 对 PSR J0030+0451 和 J0740+6620 的测量结果，检验模型的一致性。
• 在不同稳定性假设下，比较 ud QS 与传统 SQS 模型预测的最大质量与半径。
• 利用质量公式与 Thomas-Fermi 近似，评估 ud QM 的表面张力，以评估假设的 ud QM 小块（ud lets）的稳定性。
• 利用 CQM 模型的哈密顿量，探讨夸克矢量相互作用在增强表面张力与曲率能方面的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 上-下夸克物质（ud QM）是否可能比核物质与奇异夸克物质（SQM）更稳定，从而允许形成稳定的上-下夸克星（ud QS）？
• RQ2 若 ud QM 比核物质更稳定，该 ud QS 模型是否满足来自 GW170817 的潮汐去形因子约束？
• RQ3 ud QS 模型能否重现 NICER 对 PSR J0030+0451 与 J0740+6620 的质量-半径测量结果？
• RQ4 为何传统奇异夸克星（SQS）模型无法同时满足来自 GW170817 与 NICER 的联合约束？
• RQ5 为防止超重原子核 294Og 衰变为 ud QM 小块，ud QM 所需的表面张力应为多大？

主要发现

• 当上-下夸克物质（ud QM）比核物质与奇异夸克物质（SQM）更稳定时，上-下夸克星（ud QS）的最大静态质量为 2.87 M☉，与观测约束一致。
• 传统奇异夸克星（SQS）在 SQM 比核物质更稳定时，其最大静态质量仅为 1.87 M☉，与 NICER 的半径约束显著偏离。
• 该模型预测，ud QS 模型的潮汐去形因子为 Λ(1.4 M☉) = 675 与 Λ(q=0.73) = 720，满足 GW170817 约为 Λ ~ 300 的约束。
• 非传统的奇异夸克星模型（ucSQS2.80）在 νs = 1.08 时，违反了 NJL 模型预测的奇异夸克质量（Ms）密度依赖关系，因此被强烈排除。
• 为防止 294Og 衰变为 ud QM 小块，ud QM 的表面张力必须 ≥165 MeV/fm²，该值与 NJL 模型预测一致，但远高于夸克-介子模型预测的 19.35 MeV/fm²。
• 本研究表明，ud QM 小块（ud lets）可能在核素图中形成新的“稳定岛”，并在高能核反应与双夸克星并合事件中产生。