Computer simulation of two merging neutron stars (left) blended with an image of heavy-ion collisions at CERN (right). Courtesy: Lukas R Weih and Luciano Rezzolla/Goethe University Frankfurt and CMS/CERN.
1984年，Edward Witten提出"夸克物质是物质的基态"（Bodmer-Witten hypothesis），一部分天体物理学家因而相信，宏观大的星体可由夸克物质构成（称为夸克星）。双星合并产生的引力波可以为检验夸克物质理论提供重要信息。近日，厦门大学博士生缪志强（第一作者）、李昂教授（通讯作者）和中科院紫金山天文台博士生蒋金靓及上海交通大学陈列文教授合作，在双星并合引力波揭示夸克物质物态方面取得进展。另见基于NASA国际空间站上的NICER探测器对夸克物质的研究。
1960年代Murray Gell-Mann等人发展了量子色动力学（QCD），它描述了正常条件下强相互作用如何导致夸克被胶子约束以产生强子（例如质子和中子）。自1970年代以来，理论学家预测：在致密星等极端压力环境下，强子中的夸克可能会破壳而出形成冷夸克物质汤。这种神秘的夸克物质也可能在早期宇宙、宇宙射线、或者剧烈的天体物理事件中出现。在地面实验室里，科学家通过在高能下将原子核撞击在一起来在对撞机中产生夸克物质。过去近二十年，布鲁克海文国家实验（BNL）将金原子核进行对撞，欧洲核子研究中心（CERN）将铅原子核进行对撞，对夸克-胶子等离子体（QGP）进行了系统的研究，观察到了QGP存在的实验证据。一个悬而未决的问题是：稳定的夸克物质是否自然存在于今天的可观测宇宙中？
自2017年以来，LIGO和Virgo探测器将目光投向中子星，试图探究双星并合的物理过程和致密QCD物质的状态方程（EOS）。在以往的研究中，对目前的两个双星合并事件（GW170817 和 GW190425）的分析都是基于并合星体是中子星的假设，由此得到的质量和半径等的分析结果不能用于限制夸克物质构成的星体的参数空间（或与夸克星的理论模型进行比较）。我们从头基于夸克物质的假设对GW170817 和 GW190425进行分析。它不同于中子星和夸克星可以共存的两族（two-family scenario）情景，也不同于致密天体是混杂星（hybrid star）的情况：混杂星中的夸克物质通过高密度强子物质的相变出现，不是自束缚的，因而不满足 Bodmer-Witten 稳定性条件。
我们研究得到夸克物质EOS在处于普通相（Normal）和超流相（CFL）时的引力波观测结果（如图），并发现：夸克星物质中的声速近似恒定，接近于\sqrt{1/3}的共形极限（conformal limit），与其在中子星物质中的快速增长行为形成鲜明对比；我们还对质量、半径、潮汐形变的结果进行了拟合，提供了夸克星各观测量之间的普遍关系（universal relations）。
图. 致密QCD物质的状态方程（EOS）；左：压强-重子化学势关系。pQCD是微扰 QCD的结果，仅适用于极高密度（重子化学势高于~2.6GeV），而双星并合的引力波数据可以在与致密星特性相关的非微扰领域有效地约束 EOS；右：压强-密度关系。Abbott et al. 2018是LIGO/Virgo合作组基于中子星假设的分析结果，可以看出：在低密度下，夸克星EOS比中子星EOS更早变硬（表明夸克星的尖锐表面密度较低），而在高密度下，夸克星EOS比中子星EOS要软（表明夸克星最大质量低于中子星最大质量）。
相关研究工作已被Astrophysical Journal Letters接受发表（预印本链接：https://arxiv.org/abs/2107.13997），得到科技部SKA专项、国家自然科学基金、中国载人航天工程巡天空间望远镜专项科学研究经费及厦门市青年创新基金项目的支持。
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