[论文解读] The scenario of two families of compact stars 2. Transition from hadronic to quark matter and explosive phenomena

A. Drago, Giuseppe Pagliara|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 77被引用 34

一句话总结

本文提出一种双星族模型，其中低质量致密星为强子星，而质量更大的则为夸克星。该模型将从强子物质到夸克物质的相变分为两个阶段：毫秒级的快速、不稳定性驱动的核心转化，随后是约10秒内通过奇异物质扩散实现的较慢表面转化，其关键影响涉及长、短伽马射线暴（GRBs）及超新星爆发。

ABSTRACT

We will follow the two-families scenario described in the accompanying paper, in which compact stars having a very small radius and masses not exceeding about 1.5$M_\odot$ are made of hadrons, while more massive compact stars are quark stars. In the present paper we discuss the dynamics of the transition of a hadronic star into a quark star. We will show that the transition takes place in two phases: a very rapid one, lasting a few milliseconds, during which the central region of the star converts into quark matter and the process of conversion is accelerated by the existence of strong hydrodynamical instabilities, and a second phase, lasting about ten seconds, during which the process of conversion proceeds till the surface of the star via production and diffusion of strangeness. We will show that these two steps play a crucial role in the phenomenological implications of the model. We will discuss the possible implications of this scenario both for long and for short Gamma Ray Bursts, using the proto-magnetar model as the reference frame of our discussion. We will show that the process of quark deconfinement can be connected to specific observed features of the GRBs. In the case of long GRBs we will discuss the possibility that quark deconfinement is at the origin of the second peak present in quite a large fraction of bursts. Also we will discuss the possibility that long GRBs can take place in binary systems without being associated with a SN explosion. Concerning short GRBs, quark deconfinement can play the crucial role in limiting their duration. Finally we will shortly revisit the possible relevance of quark deconfinement in some specific type of Supernova explosions, in particular in the case of very massive progenitors.

研究动机与目标

• 在双星族模型框架下，建立致密星中从强子物质到夸克物质的动力学相变模型。
• 研究流体动力学不稳定性与奇异物质扩散在相变过程中的作用。
• 探讨夸克禁闭对长、短伽马射线暴（GRBs）的物理解释意义。
• 评估夸尔禁闭对大质量前身星超新星爆发的影响。
• 通过伽马射线暴、引力波与致密星半径等可观测特征，检验双星族模型的可行性。

提出的方法

• 基于Bodmer-Witten假说，分析强子物质到夸克物质的方程态（EoS）转变，该假说认为奇异夸克物质具有绝对稳定性。
• 将相变过程建模为两个阶段：持续约1–2毫秒的快速、流体动力学不稳定的核区转化，随后是通过奇异物质扩散在约10秒内完成的较慢表面转化。
• 采用原磁星模型作为参考框架，以解释伽马射线暴的光曲线与能量特征。
• 考虑三种形成路径：在低质量X射线双星（LMXBs）中吸积质量、超新星爆发后延迟的禁闭解除，以及双中子星并合。
• 评估温度（在并合中可达约50 MeV）与弱相互作用在液滴形成与奇异物质平衡中的作用。
• 将火焰驱动的质量抛射与夸克超新星爆轰模型进行比较，支持火焰驱动作为质量抛射与能量释放的更合理机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 致密星中强子物质向夸克物质的相变如何动态进行？
• RQ2 流体动力学不稳定性与奇异物质扩散在相变过程中起什么作用？
• RQ3 夸克禁闭能否解释长伽马射线暴中的第二峰值以及相关超新星的缺失？
• RQ4 双中子星并合中夸克禁闭如何影响短伽马射线暴的持续时间与辐射特征？
• RQ5 夸克禁闭在多大程度上可解释像SN 2006gy这类特殊超新星中的晚发X射线辐射与光谱特征？

主要发现

• 强子物质向夸克物质的相变分为两个明确阶段：由流体动力学不稳定性驱动的快速核心转化（约1–2毫秒），随后是通过奇异物质扩散在约10秒内完成的较慢表面转化。
• 双中子星并合后立即形成夸克星，是双星族模型的直接且可检验的预测，意味着此类并合事件产生的是夸克星而非黑洞。
• 夸克禁闭可解释相当一部分长伽马射线暴中的第二峰值，表明存在一种无需前导超新星的晚发能量释放机制。
• 某些长伽马射线暴中缺乏超新星，可能由夸克禁闭作为晚发能量源所致，可能使原本勉强失败的超新星爆炸重新激活。
• 该相变过程可能限制短伽马射线暴的持续时间，而并合后形成的夸克星会在引力波与电磁信号中留下独特印记。
• 火焰驱动的质量抛射，而非爆轰，是能量释放与核合成的可行机制，相较于夸克超新星模型，能更一致地解释某些伽马射线暴与超新星现象。