Massradie-relationer för neutronstjärnor (kurvorna NS1 och NS2) och konstiga kvarkstjärnor (kurva QS) jämfört med flera astrofysiska data inklusive den senaste NICER:s mätning (Riley et al. 2021 och Miller et al. 2021) av millisekundens radie pulsar J0740+6620. Visas även ett exempel på hopp (röd prickad pil) från den första familjen till den andra familjen av stjärnor för de två neutronstjärnemodellerna. Kredit:Bombaci et al.
Den 14 augusti 2019, LIGO-Jungfrusamarbetet upptäckte en gravitationsvågsignal som tros vara associerad med sammansmältningen av ett binärt stjärnsystem som består av ett svart hål med en massa på 23 gånger solens massa (M⊙) och ett kompakt föremål med en massa på cirka 2,6 M⊙. Naturen hos GW190814s sekundära stjärna är gåtfull, eftersom, enligt nuvarande astronomiska observationer, det kan vara den tyngsta neutronstjärnan eller det lättaste svarta hålet som någonsin observerats.
Forskare vid universitetet i Pisa, University of Ferrara och National Institute for Nuclear Physics (INFN) i Italien har nyligen genomfört en studie som undersöker möjligheten att källan till GW190814-händelsen som upptäcktes av LIGO-Jungfrun är ett svarthål-märkligt kvarkstjärnsystem. Deras papper, publicerad i Fysiska granskningsbrev , bygger på en astrofysisk modell som de utvecklade för flera år sedan.
"Det första villkoret som krävs av vår modell är att den centrala tätheten hos massiva neutronstjärnor är tillräckligt hög för att möjliggöra en övergång från en fas av "normal" kärnämne (en vätska som består av neutroner, protoner och möjligen andra partiklar som hyperoner) till en ny fas som består av en vätska gjord av de tre lättare typerna av kvarkar, nämligen upp (u), ner (d) och konstiga (s) kvarkar (den så kallade konstiga kvarkmateria), "Ignazio Bombaci, Alessandro Drago, Domenico Logoteta, Giuseppe Pagliara och Isaac Vidaña, forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org via e-post. "Dessutom, om märklig kvarkmateria är absolut stabil (den så kallade Bodmer-Terezawa-Witten-hypotesen) så är övergången första ordningen, och "normala" neutronstjärnor över ett tröskelvärde för deras massa blir metastabila och kan omvandlas till konstiga kvarkstjärnor."
Det astrofysiska scenariot som Bombaci och hans kollegor utforskade föreslår att i naturen, det finns två samexisterande familjer av kompakta stjärnor, nämligen "normala" neutronstjärnor och konstiga kvarkstjärnor. Dessutom, när en neutronstjärna omvandlas till en konstig kvarkstjärna, det frigör en betydande mängd energi (ungefär 10 53 erg), som liknar den energi som frigörs under en supernovaexplosion.
Konstnärlig representation av fusionen mellan ett svart hål och en neutronstjärna
"En vanlig och fortfarande populär missuppfattning är att fasövergången till märklig kvarkmateria gör stjärnmaterialet mjukare, dvs. mer klämbar, ", förklarade forskarna. "Denna missuppfattning är baserad på den felaktiga uppfattningen att kvarkar kan betraktas som icke-interagerande partiklar (idealisk Fermi-gas). Införandet av mer sofistikerad kvarkdynamik har otvetydigt indikerat att märklig kvarkmateria är ganska stel, och konstiga kvarkstjärnor kan alltså ha stora massor upp till nästan tre gånger solens massa (M⊙)."
När Bombaci och hans kollegor först tittade på data associerade med gravitationsvåghändelsen GW190814, specifikt värdet av det binära systemets sekundära kompakta objekts massa (dvs. 2,50 ‒ 2,67 M⊙), de insåg att detta objekt kunde vara en del av den andra familjen av kompakta stjärnor (dvs. en märklig kvarkstjärna med hög massa).
Enligt det paradigm som för närvarande är accepterat inom astronomi, det finns bara en familj av kompakta stjärnor (dvs. neutronstjärnefamiljen). Dessutom, paradigmet antyder att det finns en en-till-en-överensstämmelse mellan den centrala densiteten och trycket hos en neutronstjärna och dess massa och radie. Detta innebär att mätning av massan och radien för flera individuella neutronstjärnor kan göra det möjligt för forskare att sluta sig till sambandet mellan trycket och densiteten hos stjärnmaterial, bestämma den så kallade ekvationen för tillståndet för tät materia.
Som i scenariot som Bombaci och hans kollegor betraktade, det finns två samexisterande familjer av kompakta stjärnor; deras samband med den täta materiens ekvation av tillstånd bör helst utforskas ur ett nytt och annorlunda perspektiv.
Konstnärlig representation av fusionen mellan ett svart hål och en neutronstjärna (konstig kvarkstjärna). Kredit:Bombaci et al.
"Enligt vår åsikt, detta är en av de viktigaste insikterna som vårt arbete ger till områdena astrofysik och fysik för tät materia, " sa forskarna. "En annan relevant implikation är att i vårt scenario, det finns tre möjliga typer av sammanslagningar:neutronstjärna–neutronstjärna, neutronstjärna – märklig kvarkstjärna, märklig kvarkstjärna – märklig kvarkstjärna. Fenomenologin för sammanslagningarna skiljer sig därför mycket från fallet där det bara finns en familj av kompakta stjärnor."
Den senaste artikeln av Bombaci och hans kollegor beskriver tre olika typer av möjliga sammanslagningar mellan stjärnor. Dessutom, det tyder på att om märklig kvarkmateria är absolut stabil, även mörk materia kan vara, åtminstone delvis, gjord av stora bitar av upp, dun och konstiga kvarkar. Denna hypotes har ännu inte uteslutits av någon experimentell observation.
Framtida data som samlats in av gravitationsvågsdetektorer i kombination med exakta massradiemätningar kan hjälpa till att ytterligare testa hypotesen som introducerats av detta team av forskare.
"Särskilt, vi borde ha möjlighet att testa vår tvåfamiljsscenariomodell mot strängare begränsningar, ", sa forskarna. "Vi förväntar oss också att lära av fenomenologin i sammanslagningarna, i synnerhet från analysen av kilonovasignalen:den förväntade signalen är helt annorlunda i vårt scenario från den där det bara finns en familj av kompakta stjärnor."
© 2021 Science X Network
