研究表明:中子星的合併,可以產生夸克-膠子等離子體!

2020-11-22 騰訊網

中子星是宇宙中密度最大的天體之一，如果我們半徑為70萬公裡的太陽是一顆中子星，那麼它的質量將被凝聚成半徑約為12公裡近乎完美的球體。當兩顆中子星碰撞並合併成一顆超大質量中子星時，新天體核心中的物質變得非常熱和緻密。根據物理計算，這些條件可能導致強子，如中子和質子，溶解到它們的夸克和膠子成分中，從而產生夸克-膠子等離子體。

2017年首次發現合併中子星發出的引力波信號，該信號不僅提供了有關引力性質的信息，還提供了有關物質在極端條件下的行為信息。然而，當這些引力波在2017年首次被發現時，它們並沒有被記錄到匯合點以外。這就是法蘭克福物理學家的研究開始的地方，他們模擬了合併中子星和合併的產物，以探索從強子到夸克-膠子等離子體轉變的條件，以及這將如何影響相應的引力波。

圖示：兩顆合併中子星的計算機模擬，它與一張來自重離子碰撞的圖像混合在一起，以突出天體物理和核物理的聯繫。

結果是：在合併的特定後期階段，發生了到夸克-膠子等離子體的相變，並在引力波信號上留下了明顯的特徵信號。歌德大學盧西亞諾·雷佐拉(Luciano Rezzolla)教授對此深信不疑：與之前的模擬相比，我們在引力波中發現了一個明顯更清晰的特徵。如果這個特徵出現在中子星合併中接收到的引力波中，將有一個明確的證據，證明目前的宇宙中存在夸克-膠子等離子體。

探測到GW170817中子星雙星系統中的引力波，為研究核飽和密度以上物質的性質打開了一扇新窗口。密度達到核物質的幾倍，溫度高達100 MeV，這樣的合併也代表著從受限強子物質到非禁閉夸克物質的相變(PT)潛在地點。雖然在GW170817中缺乏合併後的信號，使得無法對這種情況進行實驗評估，但兩項理論研究已經探索了中子星雙星系統合併中PTS的合併後引力波特徵。

研究通過呈現PT發生的新特徵來擴展和完善這幅圖，更具體地說，使用完全廣義相對論流體動力學模擬，並採用包括PT的適當構造的狀態方程，提出了「延遲PT」的出現，即合併後一段時間才發展起來的PT，並產生具有夸克物質核心的亞穩天體，即超質量混合星。因為在這種情況下，合併後的信號，顯示出兩個截然不同的基本引力波頻率（PT之前和之後）相關的信號，有望成為迄今為止最強和最乾淨的信號之一，也是目前宇宙中產生夸克物質的最好信號之一。

博科園｜研究/來自：美因河畔法蘭克福歌德大學

研究發表期刊《物理評論快報》

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