Multi-messenger and multi-band signal from first-order phase transitions in proto-neutron stars

在宇宙中最极端的物体内部，物质被压缩到了地球上任何实验室都无法创造的密度。这些天体是中子星，是质量巨大的恒星爆炸后留下的超高密度残骸。几十年来，物理学家一直在争论这些恒星的最中心究竟存在着什么。虽然其外层由熟悉的原子核组成，但其核心可能由于受到极度压缩，导致质子和中子溶解成由其组成部分构成的“汤”，即夸克。这种从普通核物质到夸克核的转变被称为相变，类似于水变成冰的过程，只不过是在巨大的压力和引力条件下发生的。了解这种转变是否发生以及如何发生至关重要，因为这将揭示支配物质在被挤压至极限时如何行为的基本规律。

德国和爱尔兰研究人员的一项新研究探讨了如果这种转变发生在年轻、炽热的中子星（被称为原中子星）内部会发生什么。这些恒星诞生于超新星爆发后的剧烈余波之中，在吞噬周围更多物质的同时仍在冷却。研究人员调查了一种特定情景，即恒星的核心突然从普通物质转变为夸克物质。他们发现，这一事件不仅仅是一个安静的内部转变，它还会触发一个可以被未来仪器探测到的剧烈、两部分的信号。该事件会向空间发出被称为引力波的时空涟漪，同时以两种截然不同的速度传播，并同时释放出一股被称为中微子的幽灵粒子流。

研究人员构建了一个庞大的计算机模型集来模拟这一过程。他们并没有通过猜测单一答案来描述物质的行为，而是创建了数千个中子星内部结构的可能版本，所有这些版本都符合已知的物理定律和对真实恒星的观测结果。然后，他们观察了这些模拟出的恒星在聚集更多质量时的演化过程。在许多模型中，增加的重量最终将核心推过了临界点，迫使发生向夸克物质的突然转化。团队精确计算了这种转化会产生什么样的信号。他们发现，该事件会产生两种不同类型的引力波。第一种是频率较低的隆隆声，处于千赫兹（kHz）范围内，是由恒星整体形状在核心收缩并变得更密的过程中进行调整而引起的。第二种是频率高得多的爆发，处于兆赫兹（MHz）范围内，是由形成并穿过恒星的新型夸克物质微小气泡的微观碰撞引起的。

这两类信号以一种可以帮助科学家解码相变物理学的方式联系在一起。低频波告诉我们恒星的整体大小和结构，而高频爆发则揭示了气泡形成和碰撞的微观细节。研究表明，如果我们能从同一个事件中探测到这两个信号，我们就可以利用低频波提供的信息来缩小高频波的可能性范围。这将使我们能够测量目前无法确定的属性，例如两种物质之间边界的表面张力。研究人员还发现，这一事件将伴随着第二次中微子爆发，在最初爆炸后的几百毫秒到几秒钟内到达。这一延迟取决于恒星积累足够质量以触发转变所需的时间。

研究结果表明，捕捉到这种多信使信号将是一个重大突破。虽然目前的引力波探测器足以感知低频的隆隆声，但它们尚不足以听到高频的兆赫兹爆发。然而，研究指出，正在规划中的下一代探测器有可能同时听到这两种信号。如果未来的天文台探测到了低频波，同时专门的高频仪器捕捉到了同步的高频爆发，连同延迟的中微子信号，这将为相变提供一个完整的图像。这将证实夸克物质确实存在于中子星的核心，并让我们第一次直接观察物质在宇宙中最极端条件下是如何表现的。这项研究并未声称已经发现了这种信号，但它为寻找该信号以及在技术跟上步伐时如何解读它提供了一份清晰的路线图。