Kan kilden til GW190814-begivenheden være et sort hul-mærkeligt kvarkstjernesystem?

Den 14. august 2019, LIGO-Jomfru-samarbejdet detekterede et gravitationsbølgesignal, der menes at være forbundet med sammensmeltningen af ​​et binært stjernesystem bestående af et sort hul med en masse på 23 gange solens masse (M⊙) og et kompakt objekt med en masse på omkring 2,6 M⊙. Naturen af ​​GW190814s sekundære stjerne er gådefuld, siden, ifølge de nuværende astronomiske observationer, det kunne være den tungeste neutronstjerne eller det letteste sorte hul, der nogensinde er observeret.

Forskere ved University of Pisa, University of Ferrara og National Institute for Nuclear Physics (INFN) i Italien har for nylig udført en undersøgelse, der undersøger muligheden for, at kilden til GW190814-begivenheden opdaget af LIGO-Jomfruen er et sort hul-mærkeligt kvarkstjernesystem. Deres papir, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , er baseret på en astrofysisk model, som de udviklede for flere år siden.

"Den første betingelse, som vores model kræver, er, at den centrale tæthed af massive neutronstjerner er høj nok til at tillade en overgang fra en fase af 'normalt' nukleart stof (en væske bestående af neutroner, protoner og muligvis andre partikler såsom hyperoner) til en ny fase, som består af en væske lavet af de tre lettere typer kvarker, nemlig op (u), ned (d) og mærkelige (s) kvarker (det såkaldte mærkelige kvarkstof), "Ignazio Bombaci, Alessandro Drago, Domenico Logoteta, Giuseppe Pagliara og Isaac Vidaña, de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org via e-mail. "Ud over, hvis mærkeligt kvarkstof er absolut stabilt (den såkaldte Bodmer-Terezawa-Witten-hypotese), så er overgangen første orden, og 'normale' neutronstjerner ud over en tærskelværdi for deres masse bliver metastabile og kan omdannes til mærkelige kvarkstjerner."

Det astrofysiske scenarie udforsket af Bombaci og hans kolleger foreslår, at i naturen, der er to sameksisterende familier af kompakte stjerner, nemlig 'normale' neutronstjerner og mærkelige kvarkstjerner. I øvrigt, når en neutronstjerne omdannes til en mærkelig kvarkstjerne, det frigiver en betydelig mængde energi (ca. 10 ⁵³ erg), som ligner den energi, der frigives under en supernovaeksplosion.

"En almindelig og stadig populær misforståelse er, at faseovergangen til mærkeligt kvarkstof gør stjernematerialet blødere, dvs. mere klembare, " forklarede forskerne. "Denne misforståelse er baseret på den forkerte tro på, at kvarker kan betragtes som ikke-interagerende partikler (ideel Fermi-gas). Indførelsen af ​​mere sofistikeret kvarkdynamik har utvetydigt indikeret, at mærkeligt kvarkstof er ret stift, og mærkelige kvarkstjerner kan således have store masser op til næsten tre gange solens masse (M⊙)."

Da Bombaci og hans kolleger først så på dataene forbundet med gravitationsbølgebegivenheden GW190814, specifikt værdien af ​​det binære systems sekundære kompakte objekts masse (dvs. 2,50 ‒ 2,67 M⊙), de indså, at dette objekt kunne være en del af den anden familie af kompakte stjerner (dvs. en mærkelig kvarkstjerne med høj masse).

Ifølge det paradigme, der i øjeblikket er accepteret i astronomi, der er kun én familie af kompakte stjerner (dvs. neutronstjernefamilien). Ud over, paradigmet antyder, at der er en en-til-en overensstemmelse mellem den centrale tæthed og tryk af en neutronstjerne og dens masse og radius. Dette betyder, at måling af massen og radius af flere individuelle neutronstjerner kunne give forskere mulighed for at udlede sammenhængen mellem stjernens materiales tryk og tæthed, at bestemme den såkaldte ligning for tilstanden af ​​tæt stof.

Som i det scenarie, som Bombaci og hans kolleger betragtede, der er to sameksisterende familier af kompakte stjerner; deres forbindelse med tilstandens tætte stofligning bør ideelt set udforskes fra et nyt og anderledes perspektiv.

"Efter vores mening, dette er en af ​​de mest betydningsfulde indsigter, som vores arbejde bringer til områderne astrofysik og tæt stoffysik, " sagde forskerne. "En anden relevant implikation er, at i vores scenarie, der er tre mulige typer fusioner:neutronstjerne–neutronstjerne, neutronstjerne – mærkelig kvarkstjerne, mærkelig kvarkstjerne – mærkelig kvarkstjerne. Fusionernes fænomenologi er derfor meget forskellig fra det tilfælde, hvor der kun er én familie af kompakte stjerner."

Den nylige afhandling af Bombaci og hans kolleger skitserer tre forskellige typer af mulige fusioner mellem stjerner. Ud over, det antyder, at hvis mærkeligt kvarkstof er absolut stabilt, selv mørkt stof kunne være, i hvert fald delvist, lavet af store bidder af op, dun og mærkelige kvarker. Denne hypotese er endnu ikke blevet udelukket af nogen eksperimentel observation.

Fremtidige data indsamlet af gravitationsbølgedetektorer kombineret med præcise masseradiusmålinger kan hjælpe med yderligere test af hypotesen introduceret af dette team af forskere.

"I særdeleshed, vi burde have mulighed for at teste vores tofamiliesscenariemodel mod strengere begrænsninger, " sagde forskerne. "Vi forventer også at lære af fusionernes fænomenologi, især fra analysen af ​​kilonova-signalet:det forventede signal er helt anderledes i vores scenarie fra det, hvor der kun eksisterer en familie af kompakte stjerner."

© 2021 Science X Network