[论文解读] The scenario of two families of compact stars 1. Equations of state, mass-radius relations and binary systems

A. Drago, A. Lavagno+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2015

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 91被引用 49

一句话总结

本文提出了一种致密星的双族情景，其中强子星（最大质量 ~1.6 M⊙，半径较小）与夸克星（最大质量 ~2.75 M⊙，半径较大）共存。文章认为，Δ-同位旋子和超子在接近 2 n₀ 密度下过早出现会软化强子物态方程，除非形成夸克物质，否则无法支持大质量强子星。该模型通过将大质量星归为夸克星族、致密星归为强子星族，调和了高质质量测量（如 2 M⊙）与小半径观测之间的矛盾。

ABSTRACT

We present several arguments which favor the scenario of two coexisting families of compact stars: hadronic stars and quark stars. Besides the well known hyperon puzzle of the physics of compact stars, a similar puzzle exists also when considering delta resonances. We show that these particles appear at densities close to twice saturation density and must be therefore included in the calculations of the hadronic equation of state. Such an early appearance is strictly related to the value of the L parameter of the symmetry energy that has been found, in recent phenomenological studies, to lie in the range $40

研究动机与目标

• 解决观测到的高质质量（~2 M⊙）与小半径（~10 km）之间在致密星中的张力。
• 解决在接近 2 n₀ 密度下Δ-同位旋子和超子过早出现导致的强子物态方程软化问题。
• 论证基于微扰QCD的夸克星可达到最高 2.75 M⊙ 的质量，从而支持双族情景。
• 将质量与半径的观测约束与一个模型调和起来：大质量星为夸克星，致密星为强子星。
• 探讨双星系统中强子星向夸克星转化的后果，特别是在低质量X射线双星中的毫秒脉冲星中。

提出的方法

• 使用具有SFHo参数化的非线性相对论Walecka型模型，计算包含核子、超子和Δ-同位旋子的强子物态方程。
• 利用对称能参数 L（40 < L < 62 MeV）计算热、轻子丰富的强子物质中超子和Δ-同位旋子形成的临界密度。
• 应用微扰QCD计算推导夸克星物态方程，预测最大质量为 2.75 M⊙。
• 将理论质量-半径关系与脉冲星和X射线双星的观测数据进行比较。
• 分析毫秒脉冲星双星系统的轨道偏心率，以推断双星演化过程中可能发生的强子星向夸克星相变。
• 评估奇异滴作为致密星并合产物宇宙信使的可能性，结合AMS-02和月球土壤样本的现有限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在强子物态方程中包含Δ-同位旋子和超子会阻止大质量强子星的形成？
• RQ2 对称能参数 L（40 < L < 62 MeV）如何影响致密物质中Δ-同位旋子和超子的出现？
• RQ3 基于微扰QCD的物态方程能否一致支持质量高达 2.75 M⊙ 的夸克星？
• RQ4 对致密星的质量与半径的观测测量在多大程度上约束了两类不同致密星族的存在？
• RQ5 某些毫秒脉冲星双星中观测到的高偏心率能否由双星系统中强子星向夸克星的相变来解释？

主要发现

• 在对称能参数 L 介于 40–62 MeV 的范围内，Δ-同位旋子在接近 2 n₀ 密度下出现，显著软化了强子物态方程。
• 质量达 1.6 M⊙、半径约 10 km 的强子星是可能的，但因该软化效应，大质量强子星（如 2 M⊙）无法被支持。
• 基于微扰QCD计算的夸克星可支持高达 2.75 M⊙ 的质量，使其成为最重观测致密星的可行候选者。
• 通过将大质量星归为夸克星族、致密星归为强子星族，观测到的质量-半径张力（高质质量 ~2 M⊙ 与小半径 ~10 km）得以调和。
• 某些毫秒脉冲星双星中观测到的高轨道偏心率可能源于强子星向夸克星的转化，其致密性增加并改变了双星动力学。
• 由于质量超过 2.5–3 M⊙ 的并合事件会迅速形成黑洞，因此来自致密星并合的奇异滴不太可能大量存在，限制了可观测通量。