[论文解读] Strange stars with a mirror-dark-matter core confronting with the observations of compact stars

Shu‐Hua Yang, Chun‐Mei Pi+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 83被引用 25

一句话总结

本文提出，具有镜像暗物质（MDM）核心的奇异星（SSs）可同时解释脉冲星 PSR J0030+0451 的质量和半径测量、脉冲星 PSR J0740+6620 的高质质量，以及 GW170817 的潮汐可变形性。通过使用标准 MIT 袋模型和仅通过引力耦合的两流体形式，研究发现，在 GW170817 系统中，MDM 核心的质量分数 fD > 2.5%（基于 Riley 等人的数据）或 fD > 3.1%（基于 Miller 等人的数据）可使所有观测结果一致，从而证实奇异星中存在暗物质核心。

ABSTRACT

We investigate the structure and the tidal deformability of strange stars (SSs) with a mirror-dark-matter (MDM) core for the standard MIT bag model. We find that to explain the observations of PSR J0740+6620, PSR J0030+0451 and GW170817 simultaneously, SSs in GW170817 should have a MDM core although it is unnecessary for PSR J0740+6620 and PSR J0030+0451 to contain a MDM core. Our study leads to the result that for the standard MIT bag model, the observations of compact stars mentioned above confirm the existence of a dark-matter core inside SSs.

研究动机与目标

• 解决观测到的致密星性质与奇异夸克物质标准 MIT 袋模型之间的矛盾。
• 研究镜像暗物质（MDM）核心是否能调和 PSR J0740+6620、PSR J0030+0451 和 GW170817 之间相互冲突的观测结果。
• 确定奇异星在同时满足质量、半径和潮汐可变形性约束下，所需 MDM 核心的质量分数（fD）。
• 基于当前天体物理学数据，确认奇异星中存在暗物质核心。

提出的方法

• 对包含 u、d、s 夸克和电子的奇异夸克物质（SQM）使用标准 MIT 袋模型，采用袋常数 B 和 s 夸克质量 ms = 93 MeV。
• 使用与 SQM 相同的状态方程（EOS）建模镜像暗物质（MDM）核心，假设其仅通过引力与普通物质相互作用。
• 采用两流体形式求解 SQM 和 MDM 区域的 Tolman-Oppenheimer-Volkoff（TOV）方程，二者仅通过引力耦合。
• 通过从 y(r) 的微分方程推导出的无量纲潮汐洛夫数 k2 计算潮汐可变形性，并对表面能密度跃迁进行修正。
• 应用五项观测约束：(1) 每核子能量稳定性，(2) 非奇异夸克物质稳定性，(3) Mmax ≥ 2.14 M⊙，(4) PSR J0030+0451 的 NICER 质量-半径数据，(5) 来自 GW170817 的 Λ(1.4) = 190+390−120。
• 通过改变 MDM 质量分数 fD = MD/M，确定所有约束同时满足的参数空间。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有镜像暗物质（MDM）核心的奇异星能否同时满足 PSR J0740+6620、PSR J0030+0451 和 GW170817 的质量、半径和潮汐可变形性约束？
• RQ2 在 GW170817 系统中，MDM 的最小质量分数 fD 是多少，才能使观测到的潮汐可变形性与其它致密星的高质质量和半径一致？
• RQ3 在标准 MIT 袋模型下，当前天体物理学观测是否证实了奇异星内部存在暗物质核心？
• RQ4 MDM 核心的存在如何影响奇异星的最大质量和半径，以及对潮汐可变形性有何影响？

主要发现

• 在无 MDM 核心的奇异星中，满足所有四项约束（Mmax ≥ 2.14 M⊙、NICER 数据和 Λ(1.4) = 190+390−120）的参数空间无重叠，表明与观测结果不一致。
• 对于具有 MDM 核心的奇异星，潮汐可变形性 Λ(1.4) 随 MDM 质量分数 fD 的增加而减小，且袋常数越大，其值越小。
• 在 GW170817 系统中，MDM 核心的质量分数 fD > 2.5%（基于 Riley 等人的 NICER 数据）或 fD > 3.1%（基于 Miller 等人的 NICER 数据）是使潮汐可变形性与其它观测结果一致所必需的。
• 本研究证实，PSR J0740+6620、PSR J0030+0451 和 GW170817 的观测结果共同支持在标准 MIT 袋模型下奇异星内部存在暗物质核心。
• 该结果对其他能形成核心的稳定暗物质候选者也具有定性有效性，不限于镜像暗物质。
• 每个奇异星中 MDM 的质量分数 fD 取决于其历史，可解释为何不同恒星可能具有不同的核心成分。