中子星合并揭示了夸克物质的奥秘

中子星是老恒星耗尽核燃料后发生超新星和随后的引力坍缩而形成的残余。虽然它们的碰撞(或双星合并)很少见，但一旦发生，这些剧烈事件就会扰动时空本身，产生数亿光年外的地球都能探测到的引力波。

在中子星合并过程中，恒星会迅速改变形状并升温，从而导致其内部物质状态发生变化。合并还可能产生夸克物质，其中通常被限制在质子和中子内的基本粒子夸克和胶子被释放并开始自由移动。

赫尔辛基大学的 Aleksi Vuorinen 教授解释了近年来我们对单个中子星特性的理解如何取得显著进展。然而，我们仍然不完全了解在达到最度或在动态环境下会发生什么。

“描述中子星合并对于理论家来说尤其具有挑战性，因为所有传统的理论工具似乎都会在这些与时间相关的真正极端的系统中以某种方式失效，”Vuorinen 解释道。

根据弦理论和微扰 QCD 确定体积粘度

中子星合并研究中的一个关键概念是中子星物质的体积粘度，它描述了粒子相互作用对系统中流动的抵抗强度。

赫尔辛基大学的研究人员与国外的同事一起，通过结合两种不同的理论方法，成功地确定了致密夸克物质的体积粘度。其中一种方法基于弦理论，另一种方法则基于微扰理论，这是量子场论的经典方法。

一般来说，不同的粘度描述了给定液体流动的“粘性”程度。最常见的例子是剪切粘度，其影响可以在蜂蜜和水等物质的流动中看到：蜂蜜流动缓慢，因为它具有高粘度，而水流动更快，因为它的粘度较低。

另一方面，体积粘度描述的是系统在经历径向振荡时的能量损失，这意味着其密度会周期性地增加和减少。中子星及其合并中恰好会发生这种振荡，因此体积粘度是中子星合并中最核心的传输系数。

在他们最近发表在《物理评论快报》上的研究中，夸克物质的体积粘度通过两种方法确定：使用所谓的 AdS/CFT 对偶性(通常称为全息图)和微扰理论。

在全息术中，强耦合量子场论的性质是通过研究高维弯曲空间中的重力来确定的。在夸克物质的情况下，这允许在中子星碰撞中存在的密度和温度下描述系统，其中量子色动力学 (QCD)(强核力理论)的相互作用非常强。然而，由于技术原因，该方法不能直接描述 QCD，而是检查具有非常相似性质的现象学模型。

新研究中使用的另一种方法，即微扰理论，可能是理论粒子物理研究中最广泛使用的工具。在这种方法中，物理量被确定为理论耦合常数的幂级数，它描述了相互作用的强度。这种方法可以直接描述 QCD，但仅适用于密度远高于中子星的密度。

令研究人员高兴的是，这两种方法得到了非常相似的结果，强化了这样一种观点，即夸克物质中的体积粘滞系数峰值温度明显低于核物质中的温度。

“这些信息有助于我们了解中子星物质在双星合并过程中的行为，”来自赫尔辛基的学院研究员里斯托·帕特莱宁 (Risto Paatelainen) 说。

“这些结果也可能有助于解释未来的观测结果。例如，我们可能会在未来的引力波数据中寻找粘性效应，而粘性效应的缺失可能揭示中子星合并中夸克物质的产生，”大学讲师 Niko Jokela 补充道。

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