关于致密双星系统中超新星爆发后形成奇异夸克星的过程

《Journal of High Energy Astrophysics》：On the formation of strange quark stars from supernova in compact binaries

本文探讨双星系统中演化星体核心坍缩伴随超新星爆发后，物质 fallback 到中子星上导致密度增加，可能触发奇异夸克星形成的机制。通过数值模拟分析高吸积率下中子星内部密度变化对夸克解禁的影响，揭示中子星转奇异夸克星的物理条件及观测可能性。

　　本研究探讨了一种可能的奇异夸克星（SQS）形成机制，即在双星系统中，当一颗演化后的恒星（如碳氧星或沃尔夫-拉叶星）发生超新星（SN）爆发时，其伴星为中子星（NS），此时可能由于大量物质的吸积而引发夸克物质的去禁闭过程。这种现象在宇宙中被认为是一个重要的天体物理过程，其关键在于理解中子星内部在极端条件下如何转变为奇异夸克星。本文通过数值模拟分析了这一过程，并探讨了其可能的天体物理条件和观测后果。

在宇宙中，致密天体如中子星和奇异夸克星具有极高的密度，这使得它们成为研究物质在极端条件下的行为的理想场所。中子星的核心密度通常达到数倍于核饱和密度，而奇异夸克星则被认为是由完全去禁闭的夸克物质构成的。在标准模型中，中子星和奇异夸克星被视为两种不同的天体家族，而本文提出了一种可能的机制，即在某些天体演化过程中，中子星可能通过物质吸积而转变为奇异夸克星。

这一转变过程的触发条件主要依赖于中子星内部的密度变化。在双星系统中，当一颗恒星发生超新星爆发时，其爆炸产生的物质可能会被其伴星中子星捕获，从而导致中子星的质量增加。在某些情况下，这种吸积过程可能达到超临界（即远高于爱丁顿极限）的速率，从而使得中子星内部的密度急剧上升。如果这种密度增加达到了某种临界值，那么中子星内部的物质可能会发生相变，从强相互作用的强子物质转变为去禁闭的夸克物质。这一过程被称为夸克物质去禁闭，是奇异夸克星形成的关键机制。

在标准的中子星模型中，物质主要由质子、中子和介子构成，而当密度增加到一定程度时，可能会出现超子（如Λ、Σ和Ξ粒子）的形成。这些超子的存在会影响中子星的物态方程（EOS），进而影响其结构和稳定性。然而，超子的出现可能会导致EOS过于软化，使得中子星的最大质量显著低于2个太阳质量（M⊙）。这种现象被称为“超子难题”，而奇异夸克星的形成则可能提供一种解决方案，因为其物态方程相对较硬，能够支持更大的质量。

在本文中，研究者们假设了两种不同的情况：一种是当中子星的中心密度超过某个临界值时，其内部物质会全部转变为奇异夸克物质，从而形成奇异夸克星；另一种是当中子星的中心密度处于某个中间范围时，其内部会形成混合相，即强子物质和奇异夸克物质共存。这两种情况都属于“双家族”模型，即中子星和奇异夸克星共存的假设。这一模型能够解释某些观测现象，如低质量中子星的可能存在以及超新星爆发的高能量特性。

在双星系统中，特别是当一颗恒星经历超新星爆发时，其伴星中子星可能会经历极端的物质吸积过程。这种吸积过程不仅会增加中子星的质量，还可能改变其旋转状态。研究者们通过数值模拟，计算了不同质量的恒星在发生超新星爆发时，其伴星中子星所经历的吸积速率。他们使用了光滑粒子流体力学（SPH）方法，结合了SNSPH代码，模拟了碳氧星（CO星）在超新星爆发过程中，其物质如何被中子星捕获，并在随后的吸积过程中发生相变。

研究发现，当中子星的质量增加到一定程度时，其内部的密度会显著上升，从而触发夸克物质去禁闭。这一过程可能会导致中子星的结构发生剧烈变化，使其从传统的中子星转变为奇异夸克星。此外，这种转变还可能伴随着大量能量的释放，这可能会在天体物理观测中留下明显的痕迹，如超新星爆发的高能量特征或独特的光变曲线形状。

在天体物理观测中，超新星爆发的能量释放通常被认为是由中微子驱动的，但本文提出了一种新的可能性：当夸克物质去禁闭发生时，其释放的潜热可能成为超新星爆发的主要能量来源。这一机制能够解释某些高能量超新星爆发的现象，如超亮超新星（SLSN）的出现。此外，这种去禁闭过程还可能影响超新星爆发后的天体演化，例如形成双中子星系统或中子星-奇异夸克星系统。

在双星系统中，特别是当两颗中子星发生合并时，可能会形成超大质量、超大质量或稳定的奇异夸克星。这一过程可能发生在某些特定的天体演化阶段，如超星双星系统或超星驱动的超新星（BdHN）模型。在这些系统中，中子星的合并可能会引发强烈的引力波信号，而这些信号可能与奇异夸克星或混合星的形成有关。因此，通过观测引力波信号，可能能够识别出奇异夸克星的形成过程。

此外，研究者们还探讨了低质量X射线双星系统中，夸克物质去禁闭的可能性。在这些系统中，中子星可能会经历极端的物质吸积过程，导致其内部密度增加，从而触发相变。这一机制可能解释某些低质量恒星的形成，例如与HESS J1731–347相关的恒星。这些恒星可能起源于某些特定的天体演化路径，如通过捕获奇异夸克物质的种子而形成。

综上所述，本文通过数值模拟分析了在双星系统中，当中子星经历极端物质吸积时，可能发生的夸克物质去禁闭过程。研究者们认为，这一过程可能发生在某些特定的天体演化阶段，如超新星爆发后的吸积阶段或中子星合并后的形成阶段。此外，他们还讨论了这一过程可能带来的天体物理后果，如高能量超新星爆发、独特的引力波信号以及低质量恒星的形成。这些发现不仅有助于理解致密天体的演化过程，还可能为未来的天体观测和理论研究提供新的思路和方向。

在本文的模拟中，研究者们考虑了不同质量的恒星作为初始恒星（如15 M⊙、25 M⊙和30 M⊙的碳氧星），并模拟了其发生超新星爆发时，其伴星中子星所经历的吸积过程。他们选择了不同的超新星爆发能量，以研究这些能量如何影响吸积速率和最终的中子星结构。模拟结果显示，当吸积速率足够高时，中子星内部的密度可能会达到触发夸克物质去禁闭的临界值，从而导致其转变为奇异夸克星。

这一研究的意义在于，它提供了一种新的机制来解释奇异夸克星的形成，这可能对理解宇宙中极端密度条件下的物质行为具有重要意义。此外，它还可能为未来的天体观测提供新的线索，例如通过观测超新星爆发的高能量特征或引力波信号来识别奇异夸克星的存在。尽管目前尚未有明确的观测证据支持奇异夸克星的存在，但本文的研究为这一假设提供了理论依据和数值模拟的支持。

在实际的天体物理观测中，识别奇异夸克星仍然面临诸多挑战。一方面，奇异夸克星与中子星在许多物理性质上相似，例如质量、紧凑度等，这使得它们在观测上难以区分。另一方面，目前的观测技术可能不足以探测到奇异夸克星的某些独特特征，例如其可能的光变曲线形状或引力波信号的特征。因此，未来的研究需要进一步改进观测手段，并结合更多的数值模拟来验证这一理论模型。

此外，研究者们还提到，奇异夸克星的形成可能与某些特殊的天体演化路径有关。例如，在某些超星双星系统中，中子星可能经历多次吸积过程，从而逐渐积累足够的质量以触发夸克物质去禁闭。这种可能性为理解双星系统的演化提供了新的视角，同时也为研究超新星爆发的多样性提供了理论支持。

总的来说，本文的研究为奇异夸克星的形成提供了一种新的可能性，并通过数值模拟验证了这一机制的可行性。尽管目前尚未有直接的观测证据，但这一理论模型为未来的天体物理研究提供了重要的参考。通过进一步的观测和模拟，我们有望更深入地理解奇异夸克星的形成条件及其在宇宙中的存在可能性。