近日，中國科學(xué)院紫金山天文臺等研究人員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，取得了重要進展。相關(guān)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《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

　　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)院紫金山天文臺研究人員與日本科學(xué)家合作，通過數(shù)值模擬揭示雙中子星并合引力波輻射的一個新特征，并預(yù)測其可以被第三代地面引力波探測器探測到?？淇宋镔|(zhì)的實驗檢測將幫助物理學(xué)家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)動的超重中子星，輻射強烈的引力波，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，強子物質(zhì)如果向夸克物質(zhì)轉(zhuǎn)變，則會導(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。

　　研究團隊首次研究了雙中子星并合過程中夸克-強子渡越（Quark-hadron crossover）狀態(tài)方程的性質(zhì)。低密度時，體系由強子物質(zhì)主導(dǎo)；當(dāng)夸克物質(zhì)達到飽和，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，系統(tǒng)整體變得更松散，其引力波頻率也比強子系統(tǒng)的低（圖2）。定量計算表明，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”。

　　相關(guān)研究工作得到國家自然科學(xué)基金等項目的支持。

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圖1 夸克-強子渡越中強子物質(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。黑色虛線表示純強子狀態(tài)方程，紅、藍線表示同一強子部分的兩種夸克-強子渡越狀態(tài)方程。