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近日，中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)等國際合作研究團(tuán)隊(duì)利用雙中子星并合過程中的引力波輻射特性研究核物質(zhì)轉(zhuǎn)變，取得了重要進(jìn)展。研究成果以“Merger and Postmerger of Binary Neutron Stars with a Quark-Hadron Crossover Equation of State”為題發(fā)表在國際物理學(xué)期刊《物理評論快報(bào)》(Physical Review Letters)上，并被美國物理學(xué)會(huì)《物理》雜志作為亮點(diǎn)報(bào)道“Listening to Equation-of-State Changes”。
在密度約為每立方厘米萬億千克的極高密度物質(zhì)中，研究預(yù)測夸克可以從亞原子粒子中釋放出來。這種夸克物質(zhì)被認(rèn)為存在于宇宙極早期，也可能形成于中子星內(nèi)部或是并合產(chǎn)物中。不過，迄今尚未發(fā)現(xiàn)這種奇特的物質(zhì)狀態(tài)。中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)博士研究生黃永嘉及其導(dǎo)師范一中研究員與日本多位教授合作，通過數(shù)值模擬揭示雙中子星并合引力波輻射的一個(gè)新特征，并預(yù)測可以被第三代地面引力波探測器探測到。夸克物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)檢測將幫助物理學(xué)家們逐步完善基本粒子模型。
數(shù)值模擬顯示，雙中子星并合后如果不立即塌縮成為黑洞，那么將形成快速較差轉(zhuǎn)動(dòng)的超重中子星，輻射強(qiáng)烈的引力波，并表現(xiàn)出一些特征譜峰。隨著并合過程中系統(tǒng)核心密度的升高，強(qiáng)子物質(zhì)如果向夸克物質(zhì)轉(zhuǎn)變，則會(huì)導(dǎo)致引力波的頻率突然下降，確切的下降取決于夸克模型的狀態(tài)方程。
研究團(tuán)隊(duì)首次研究了雙中子星并合過程中夸克-強(qiáng)子渡越（Quark-hadron crossover）狀態(tài)方程的性質(zhì)。低密度時(shí)，體系由強(qiáng)子物質(zhì)主導(dǎo)；當(dāng)夸克物質(zhì)達(dá)到飽和，狀態(tài)方程快速硬化，釋放更多壓力（圖1）。當(dāng)并合系統(tǒng)的最大密度在渡越區(qū)時(shí)，系統(tǒng)整體變得更松散，其引力波頻率也比強(qiáng)子系統(tǒng)的低（圖2）。定量計(jì)算表明，第三代引力波探測器可以有效探測到這一引力波輻射頻率的降低，有望聽見核物質(zhì)相變的“聲音”。
紫金山天文臺(tái)博士研究生黃永嘉為論文第一作者及通訊作者，該項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
圖1：夸克-強(qiáng)子渡越中強(qiáng)子物質(zhì)向夸克物質(zhì)演化示意圖
圖2：（左圖）雙中子星并合后的核心密度演化；（右圖）不同總質(zhì)量系統(tǒng)中，雙中子星并合過程的引力波主峰頻率。黑色虛線表示純強(qiáng)子狀態(tài)方程，紅、藍(lán)線表示同一強(qiáng)子部分的兩種夸克-強(qiáng)子渡越狀態(tài)方程。
論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.181101
《物理》雜志報(bào)道：https://physics.aps.org/articles/v15/s149
標(biāo)簽： 紫金山天文臺(tái)
