作者：邹泽城 、黄永锋
单位： 南京大学天文与空间科学学院
早在二十世纪六、七十年代，物理学家就提出，宇宙在其极早期可能通过初始密度不均匀性等途径产生一部分黑洞。这些黑洞并非起源于恒星演化过程，被称为原初黑洞。此后的五十余年中，尽管原初黑洞一直没有被确认观测到，但它们始终吸引着天体物理学家的注意力。有学者认为原初黑洞是一种可能的暗物质候选体。为了考察原初黑洞占全部暗物质的成分比例，天文学家们提出可以尝试在太空中搜寻中子星捕获原初黑洞时产生的爆发现象。理论分析表明，此类捕获事件会产生强烈的电磁波辐射，并伴随着引力波辐射。但前人在研究中均过于简化地假设中子星内部密度均匀，致使他们关于中子星-原初黑洞并合动力学的计算太粗糙，得出的引力波强度也缺乏可信度，难以与引力波探测器的观测数据进行比对分析。
实际上，中子星的内部结构取决于极端高密度条件下物质的状态方程。遗憾的是，我们目前对于这种致密物质的性质了解仍十分有限。有学者提出，在这种极高密度条件下，由几乎等比例的上夸克（u）、下夸克（d）和奇异夸克（s）构成的奇异夸克物质，可能具有比普通中子物质更低的能态，因而奇异夸克物质可能才是重子物质的真正基态，这被称为奇异夸克物质假说。如果奇异夸克物质假说是正确的话，那么通常人们所称的“中子星”，其内部就不再以中子为主要成分，而是直接由奇异夸克物质构成。换言之，它们其实是奇异夸克星（简称奇异星）。值得注意的是，虽然奇异星和中子星的内部成分差别巨大，但它们的外部特征（如质量、半径、磁场强度、壳层及表面大气成分等）却十分相似，导致我们无法通过普通的天文观测进行区分。图1给出了1.4倍太阳质量的奇异星和中子星的内部密度分布，可以看出两种天体具有非常相近的星体半径。
图1：1.4倍太阳质量的中子星和奇异星的内部结构对比。横轴是中子星内部的半径，纵轴是密度（左边）或声速（右边）。图中蓝色实线对应于中子星的密度分布，红色实线是奇异星的密度分布，而两条虚线分别展示了对应情况下星体内部的声速（声速纵轴在右边）。同中子星相比，奇异星具有从内至外较为均匀的密度和声速分布。但是，两者的星体半径都在12千米左右。图片来源见文献[1]。
奇异星和中子星在观测表现上的高度相似性给天文学家们带来了巨大的挑战：直到今天，人们仍在寻找通过观测区分这两种致密星的方法。传统的思路是通过它们在冷却、自转等方面的表现进行区分，但遗憾的是区分度实在太小，难以通过实测进行甄别。有趣的是，如果奇异夸克物质假说成立的话，那么就不但可以有奇异星，还可能存在着奇异夸克行星。这是一种密度比中子星的平均密度还要高，但质量仅为行星量级的天体。当一个奇异夸克行星同奇异星碰撞并合时，会产生强烈的引力波辐射。基于此，南京大学黄永锋团队提出可以通过观测此类密近的奇异行星系统及其并合时的引力波辐射来有效识别奇异夸克天体[2–5]。
为了进一步探索区分奇异星和中子星的其它方法，最近南京大学的硕士研究生邹泽城和黄永锋教授详细计算了原初黑洞被致密星捕获后在其内部旋进运动的过程及伴随产生的引力波辐射。在他们的工作中，致密星分别被假设为一个奇异星或者是一个中子星，具有相应的内部密度分布。研究者通过考虑原初黑洞在致密星内部的吸积与动力学摩擦作用，给出了3.5阶后牛顿运动方程，并对旋进过程进行了详细的数值模拟。图2给出了不同参数情形下，黑洞在旋进过程中其质量随时间增长的情况。可以看出旋进过程的末期，黑洞质量快速增长，预示着黑洞将最终迅速吞并整个致密星，产生爆发性的电磁辐射和引力波辐射。
图2：不同质量的原初黑洞在致密星内部旋进过程中的质量增长情况。横轴是时间，纵轴是黑洞的质量。此处致密星分别被假设为1.4倍太阳质量的奇异星（标注为SS）或中子星（标注为NS）。原初黑洞的初始质量数值分别标注在对应曲线附近。图片来源见文献[1]。
研究者计算了旋进过程的引力波辐射频谱，并与当前及下一代引力波探测器的灵敏度曲线进行了对比，如图3所示。他们的计算结果表明，当10-5倍太阳质量的原初黑洞在致密星内部旋进时，即使它们在3万光年的距离上，其产生的引力波仍能被现有的高级激光干涉仪引力波天文台（Advanced LIGO）探测到。而国际上正在筹划研制的下一代引力波探测器（如Einstein Telescope和Cosmic Explorer）则能将探测视野拓展至约3百万光年处。同时，令人鼓舞的是，奇异星和中子星内部结构的不同也使得它们的引力波信号彼此间有着显著的区别。这意味着原初黑洞在致密星内部旋进的引力波信号可以成为研究致密物质状态方程的新探针。
图3：不同质量的原初黑洞在1.4倍太阳质量的奇异星（SS）和中子星（NS）内部旋进过程中产生的引力波信号强度对比。图中同时给出了一些典型引力波探测器的灵敏度曲线。此处源的距离取为3000光年。可以看到，10-5倍太阳质量原初黑洞产生的引力波信号强度比Advanced LIGO探测器灵敏度高约一个数量级，比下一代引力波探测器灵敏度高近三个数量级。图片来源见文献[1]。
这项工作近期以Gravitational-wave Emission from a Primordial Black Hole Inspiraling inside a Compact Star: a Novel Probe for Dense Matter Equation of State为题发表于美国《天体物理学报通信》（The Astrophysical Journal Letters）[1]。南京大学天文与空间科学学院的硕士研究生邹泽城同学为论文第一作者，黄永锋教授为论文第二作者兼通讯作者。论文被美国天文学会刊物研究亮点网站（AAS Nova）收录，以“通过原初黑洞寻找奇异星”（“Finding Strange Stars with Primordial Black Holes”）为题刊发专题报道[6]。该工作得到了中国载人航天工程、国家自然科学基金委员会、科技部国家重点研发计划、国家SKA计划等项目的支持。
参考文献：
[1] Zou, Z.-C., & Huang, Y.-F. 2022. Gravitational-wave Emission from a Primordial Black Hole Inspiraling inside a Compact Star: a Novel Probe for Dense Matter Equation of State. ApJL, 928, L13.https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac5ea6
[2] Geng,J. J., Huang, Y. F.,&Lu,T. 2015. Coalescence of Strange-quark Planets with Strange Stars: a New Kind of Source for Gravitational Wave Bursts. ApJ, 804, 21.
[3] Huang,Y. F.,& Yu,Y. B. 2017. Searching for Strange Quark Matter Objects in Exoplanets. ApJ, 848, 115.
[4] Kuerban,A.,Geng,J.-J.,Huang,Y.-F.,Zong, H.-S., & Gong, H. 2020.Close-in Exoplanets as Candidates for Strange Quark Matter Objects. ApJ, 890, 41.
[5] Wang, X., Kuerban, A., Geng,J.-J., Xu, F., Zhang, X.-L., Zuo, B.-J., Yuan, W.-L., &Huang, Y.-F. 2021.Tidal Deformability of Strange Quark Planets and Strange Dwarfs. Phys. Rev. D, 104, 123028.
[6] AAS Nova链接：https://aasnova.org/2022/04/06/finding-strange-stars-with-primordial-black-holes/
