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

A. Drago, Giuseppe Pagliara|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2016

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 165被引用 38

一句话总结

本文提出了一种致密星中从强子物质到夸克物质的两阶段转变模型，其中快速的中心解禁闭（在毫秒内）引发流体动力学不稳定性，随后通过奇异物质扩散在约10秒内完成较慢的表面转化。该模型将夸克解禁闭与长暴和短暴伽马射线暴（GRBs）的关键特征联系起来，解释了长暴中的第二峰值以及短暴的时长限制，并表明夸克物质的形成可能无需伴随超新星爆发。

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 ⊙ 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 as far as 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 (GRBs), 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，解释致密星中强子物质向夸克物质的动力学转变过程。
• 研究夸克解禁闭如何影响长暴和短暴伽马射线暴的观测现象。
• 探讨奇异物质扩散在使转化过程在约10秒内传播至恒星表面方面所起的作用。
• 评估夸克解禁闭是否能解释观测到的伽马射线暴特征而无需伴随超新星爆发。
• 重新评估夸克物质形成在特定类型超新星（尤其是大质量前身星）中可能扮演的角色。

提出的方法

• 将转变过程建模为两阶段：第一阶段为持续约1毫秒的快速、由不稳定性驱动的中心转化；第二阶段为持续约10秒的、由扩散限制的较慢表面转化。
• 以原磁星模型为参考框架，分析与夸克解禁闭相关的伽马射线暴现象学。
• 分析在恒星核心中加速初始夸克物质形成阶段的流体动力学不稳定性。
• 追踪奇异物质的产生与扩散，作为推动转化过程向恒星表面传播的关键机制。
• 应用双星族模型——即低质量恒星为强子星，高质质量恒星为夸克星——以约束转变动力学。
• 将理论预测与长暴和短暴的观测特征（如光曲线结构和持续时间）进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在致密星中，强子物质向夸克物质的转变如何动态进行，其两阶段特性由什么驱动？
• RQ2 夸克解禁闭能否解释在大量长暴中观测到的第二峰值？
• RQ3 长暴是否可能在无超新星爆发的情况下发生？若可能，何种机制可触发此类事件？
• RQ4 夸克解禁闭如何影响短暴伽马射线暴的持续时间？
• RQ5 夸克物质形成在大质量恒星前身星的爆发机制中可能扮演何种角色？

主要发现

• 强子物质向夸克物质的转变以两个明显阶段进行：第一阶段为持续约1毫秒的快速、由不稳定性加速的核心转化；第二阶段为通过奇异物质扩散在约10秒内完成的较慢表面转化。
• 在大量长暴中观测到的第二峰值，可能源于夸克解禁闭过程中能量的释放，尤其是第二阶段转化期间。
• 夸克解禁闭可解释在双星系统中发生但无伴随超新星爆发的长暴，表明存在替代的触发机制。
• 夸克解禁闭的动力学，特别是第二阶段的时间尺度，可能自然地将短暴的持续时间限制在观测值范围内。
• 夸克物质的形成可能在大质量前身星的爆发机制中起关键作用，可能改变传统的超新星模型。
• 核心中流体动力学不稳定性的存在显著提高了初始解禁闭过程的效率与速度，使其成为转变过程的关键驱动力。