중성자별 내부의 쿼크성

쿼크 별: 쿼크-글루온 플라즈마에서 초신성 잔해까지

중성자별의 핵심부에는 쿼크-글루온 플라즈마가 존재할 수 있습니다. 이는 양성자와 중성자가 쿼크와 글루온으로 분해되는 물질 상태로, 지름 약 20km, 태양 질량의 1.4배에 달하는 이 천체들의 밀도는 강한 상호작용 압력 아래에서 쿼크가 자유롭게 존재할 수 있게 합니다. 가설에 따르면 중성자 지각에서 쿼크 핵으로의 전환이 일어나며, 이 물질은 일반적인 강입자보다 더 안정적입니다.

쿼크는 양성자와 중성자 내부의 페르미온으로, 글루온에 의해 결합되어 있습니다. 양자 색역학에서 쿼크-글루온 플라즈마는 CERN과 브룩헤이븐의 실험에서 관찰된 바와 같이 점성이 없는 완전 유체를 형성합니다. 별에서는 중력을 압도하는 차갑고 초고밀도의 형태로 존재합니다.

쿼크와 강한 상호작용의 물리학

원자는 핵(양성자, 중성자)과 전자로 구성됩니다. 각 핵자는 세 개의 쿼크로 이루어져 있습니다: 업(u), 다운(d), 때로는 스트레인지(s) 쿼크입니다. 페르미온은 보손 글루온과 달리 파울리 배타 원리를 따르며 동일한 상태를 방지합니다.

스트레인지 쿼크는 긴 수명을 가지며 u와 d 쿼크로 붕괴합니다. 쿼크-글루온 수프는 빅뱅 이후 초기 우주의 기초였으며, 강입자로 전환되었습니다. 중성자별에서는 탈가둠 현상이 지각 바로 아래에서 중성자를 자유 쿼크로 바꿉니다.

중성자별의 구조

중성자별은 초신성 잔해로, 주기적인 전파 펄스를 내는 펄서입니다. 그들의 밀도는 중성자 분해를 일으킵니다: 강한 상호작용이 우세하여 알려지지 않은 구성의 차갑고 초고밀도 물질을 형성합니다.

질량과 반지름 측정은 거리(가장 가까운 것은 400광년 떨어져 있음)로 인해 어렵습니다. 충돌은 중력파를 생성하여 물질의 점성을 드러냅니다. 체적 점성은 섭동 이론을 통해 추정됩니다: 이는 쿼크 혼합물 밀도의 진동 동안 에너지 손실을 특성화합니다.

• 질량과 반지름: 합병으로부터의 통계는 쿼크 핵의 가능성을 나타내는 변동을 보여줍니다.
• 점성: 가속기에서 나온 플라즈마와 유사하게 낮습니다.
• 펄서 타이밍: 정밀 매개변수를 위한 방법입니다.
• 중력파: LIGO/Virgo의 물질 혼합 데이터입니다.

지각층은 밀리미터 규모의 불규칙성을 가지며, 핵은 쿼크 수프일 수 있습니다.

쿼크 별 가설

쿼크 별은 완전히 자유 쿼크(u, d, s)로 구성되어 있으며, 스트레인지 별이라고 불립니다. 탈가둠은 퇴화 중성자 가스의 압력이 불충분할 때 임계 질량에서 발생합니다.

스트레인지 물질은 영압에서 안정적이며, 진정한 바닥 상태입니다. 스트레인지렛은 중성자별을 변형시킬 수 있는 쿼크 방울입니다.

특성:

• 중성자별보다 밀도가 높습니다.
• 얇은 중성자 지각으로 덮여 있습니다.
• 낮은 표면 장력은 거시적 물체를 가능하게 합니다.
• BCS 이론을 통한 초전도성 가능성.
• 열핵융합에 필적하는 에너지.

JINR, CERN, 도쿄 공업대학의 시뮬레이션: 보스-아인슈타인 응축체가 초유체 고체 상으로 전환됩니다.

컴팩트 천체 후보들

빠르게 회전하는 펄서와 저질량 잔해가 우선순위입니다. XTE J1739-285: 1122 Hz, 반지름 9–12 km, 질량 1.2 M☉, 13,000광년 떨어져 있으며, 뱀주인자리에 위치합니다. 가스 껍질 아래 순수 쿼크 구조일 가능성이 있습니다.

HESS J1731-347 (2022, 튀빙겐): 초신성 잔해, 10,000광년 떨어져 있으며, 질량 0.77 M☉, 반지름 10.4 km입니다. 그 X선 스펙트럼은 중성자별에 비해 이상적입니다.

핵심 요약

• 중성자별 핵의 쿼크-글루온 플라즈마는 실험실 실험의 차가운 버전입니다.
• 충돌과 중력파는 점성과 상태 방정식에 대한 데이터를 제공합니다.
• 후보: 극단적 매개변수를 가진 XTE J1739-285와 HESS J1731-347.
• 스트레인지 물질은 컴팩트 천체를 지배할 수 있는 안정 상태입니다.
• SKAO의 미래 관측은 별 내부의 구성을 명확히 할 것입니다.

— Editorial Team