[论文解读] Has deconfined quark matter been detected during GW170817/AT2017gfo?

G. F. Burgio, A. Drago+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2018

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 3

一句话总结

本文提出，GW170817/AT2017gfo 事件源于一个强子星与一个夸克星（或混合星）的双星并合，解决了引力波、千新星和X射线观测之间的张力。通过建模混合强子-夸克物质的并合过程，作者表明该情景满足潮汐可变形性、千新星喷射物质量以及X射线光谱约束，得出1.4 M⊙的半径落在11.5–13.5 km的窗口内。

ABSTRACT

The detection of GW170817 and its electromagnetic counterparts allows to constrain the equation of state of dense matter in new and complementary ways. Very stiff equations of state are ruled out by the upper limit on the tidal deformability requested by the detected gravitational wave signal. Very soft equations of state are also disfavored by considering the large amount of ejected matter which powers the kilonova AT2017gfo. This translates into an allowed window for the radius of the $1.4 M_{\odot}$ stellar configuration between $\sim 11.5$ and $13.5\,$km. On the other hand, several analyses of X-ray observations suggest radii significantly smaller than $11.5\,$km. Here we show that by interpreting the event of August 2017 as due to the merger of a hadronic star and of a quark (or hybrid) star it is possible to satisfy all the observational constraints derived from GW170817/AT2017gfo as well as the constraints obtained by the modeling of the X-ray spectra of compact stars.

研究动机与目标

• 解决引力波、千新星与X射线观测对致密物质方程状态的约束之间的张力。
• 检验包含混合强子-夸克物质的双星系统是否能同时满足GW170817的潮汐可变形性限制与AT2017gfo的喷射物质量。
• 将观测到的致密星X射线光谱与来自引力波和千新星数据推导出的半径约束相协调。
• 探究一个并合天体中存在夸克物质核心是否能解释观测到的多信使信号，且不违反现有观测界限。

提出的方法

• 使用包含强子相与夸克相的混合方程状态建模双星并合过程。
• 应用引力波信号潮汐可变形性上限约束，排除过于刚性的方程状态。
• 利用千新星光曲线建模约束喷射物质量，倾向于选择更刚性的方程状态。
• 拟合致密星的X射线光谱以推断半径，并与理论预测进行比较。
• 对所有多信使数据执行一致性检验，以验证混合星情景。
• 计算在混合方程状态下1.4 M⊙配置的半径，以检验其与观测窗口的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 强子-夸克星双星并合能否重现GW170817中观测到的潮汐可变形性上限？
• RQ2 从千新星AT2017gfo推断的喷射物质量是否倾向于选择刚性方程状态，且能否与X射线半径约束相协调？
• RQ3 一个恒星中存在夸克物质核心是否能解释观测到的X射线光谱，同时满足引力波与千新星约束？
• RQ4 是否存在一种可行的方程状态，使得1.4 M⊙的半径落在11.5–13.5 km之间，且与所有多信使数据一致？

主要发现

• 混合星情景允许1.4 M⊙的半径落在11.5–13.5 km窗口内，同时满足引力波与千新星约束。
• 非常刚性的方程状态被GW170817的潮汐可变形性上限所排除。
• 非常软的方程状态因AT2017gfo的大量喷射物质量而受到质疑。
• X射线光谱建模倾向于半径小于11.5 km，而混合星模型通过允许夸克核心实现了与该结果的协调。
• 强子星与夸克星（或混合星）的并合为GW170817/AT2017gfo的所有多信使观测提供了一致的解释。
• 该模型成功解释了观测到的半径窗口与X射线数据，且未违反任何现有观测约束。