[论文解读] Is the compact object associated with HESS J1731-347 a strange quark star?

Francesco Di Clemente, A. Drago+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 10

一句话总结

本文提出HESS J1731-347中的致密天体是一颗奇异夸克星（QS），通过夸克物质的高结合能解释其低质量（~1 M☉）和小半径。研究表明，以奇异子（strangelets）形式存在的暗物质——假设为暗物质组分——可在核心塌缩过程中触发中子星前身星向QS的转化，该过程与观测到的冷却行为及质量-半径约束一致。

ABSTRACT

The analysis of the central compact object within the supernova remnant HESS J1731-347 suggests that it has a small radius and, even more interestingly, a mass of the order or smaller than one solar mass. This raises the question of which astrophysical process could lead to such a small mass, since the analysis of various types of SN explosions indicate that is it not possible to produce a neutron star with a mass smaller than about $1.17 M_\odot$. Here we show that masses of the order or smaller than one solar mass can be obtained in the case of strange quark stars and that it is possible to build a coherent model explaining not only the mass and the radius of that object, but also its slow cooling suggested in various analyses. We also show that an astrophysical path exists which leads to the formation of such an object, and we discuss the role played in that scenario by strangelets assumed to constitute the dark matter.

研究动机与目标

• 解释HESS J1731-347中致密天体的低质量（~1 M☉）和小半径的起源，该现象无法用标准中子星形成理论解释。
• 解决观测质量与核心塌缩超新星理论中子星最小质量（~1.17 M☉）之间的矛盾。
• 提出一种可行的天体物理路径，通过质量约为8–10 M☉的前身星中暗物质诱导的转化形成奇异夸克星。
• 证明奇异夸克星模型与多种天体物理约束的一致性，包括质量-半径关系和冷却行为。
• 探讨奇异子（假设为暗物质粒子）在实现中子星向奇异夸克星转变过程中的关键作用。

提出的方法

• 利用中子星与奇异夸克星之间结合能的差异，其中QS因核结合能为正或较小负值而具有显著更大的总结合能。
• 应用经验与理论的方程态（EoS）描述奇异夸克星（如Bombaci等，2021；Traversi等，2022；Ferrer等，2015），以建立质量-半径关系模型。
• 利用Navarro-Frank-White（NFW）暗物质分布和基于恒星演化阶段的时间依赖捕获率τ(M)，模拟星体核心对暗物质奇异子的捕获过程。
• 使用公式估算捕获的奇异子数量：1.39×10³⁰ × (ρ_NFW(r)/ρ_DM) × (N_S/M_V) × (M/M☉) × (R_c/R☉) × v₂₅₀⁻¹ × τ(M)，考虑速度与密度分布的影响。
• 假设奇异子通过早期宇宙中夸克物质气泡的聚并对流以上约100 MeV时发生部分蒸发形成，从而获得与暗物质丰度一致的质量分布。
• 采用贝叶斯分析与EoS约束，筛选出结合能每重子（E/A)_p=0为765–850 MeV的合理奇异夸克星模型，与Witten假说一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 奇异夸克星是否能自然解释HESS J1731-347中观测到的质量（~1 M☉）与半径？
• RQ2 是否存在一种可行的天体物理机制，使质量低于中子星最小质量（~1.17 M☉）的奇异夸克星得以形成？
• RQ3 HESS J1731-347天体的缓慢冷却行为是否可在奇异夸克星模型中得到解释？
• RQ4 假设构成暗物质的奇异子在触发中子星向奇异夸克星转化过程中扮演何种关键角色？
• RQ5 暗物质的空间分布，特别是银河系中心区域，如何影响此类转化发生的可能性？

主要发现

• 具有1.28–1.32 M☉重子质量的奇异夸克星，其引力质量可低至0.95–1.05 M☉，与HESS J1731-347致密天体的观测质量一致。
• 该模型通过夸克物质的高热导率与大比热容解释了该天体的缓慢冷却行为，与观测分析结果一致（Klochkov等，2015；Potekhin等，2020）。
• 在银河系中心区域，10 M☉前身星可捕获约10³⁰个奇异子，足以触发向奇异夸克星的转化。
• 基于早期宇宙聚并与蒸发模型推导出的奇异子质量分布，可调节至与观测到的暗物质与发光物质质量比一致。
• 该模型允许银河系中中子星与奇异夸克星共存，且转化过程在暗物质密度高的区域（如银河系中心）更易发生。
• 通过该机制形成的奇异夸克星还可解释GW190814所暗示的高质量致密天体（高达~2.5 M☉）的存在，并与致密星物理中的双星族理论一致。