相对论平均场研究超子星

随着引力波探测以及对中子星质量与半径的高精度测量,中子星作为超新星爆发的剩余产物正吸引着相关领域的高度关注。在中子星的内核部分,诸如超子之类的奇异自由度有可能会出现从而形成超子星。本工作在相对论平均场模型框架下研究由核子与轻子构成的中子星以及包含超子的超子星。采用目前常用的非线性相对论平均场以及密度依赖的相对论平均场参数研究了超子对超子星质量、半径、潮汐形变等性质的影响。最后讨论了介子与超子的耦合常数对超子星性质的影响,发现当矢量介子与超子耦合系数较强时,利用现有的相对论平均场模型参数可以获得大质量的超子星。     

f0(975)和φ(1020)介子对中子星物质的影响

利用相对论平均场理论,考虑了σ*,φ介子及重子八重态{N,P,A,∑-,∑0,∑ ,(I)-,(I)0},研究了中子星的性质.发现当考虑了σ*,φ介子的贡献时,超子出现的临界重子数密度降低了,超子数目增加了,超子星的转变密度ρ0H降低了,物态方程变软,最大质量变小而相应的中子星半径增大,中子星的中心重子数密度、中心能量密度和中心压强均降低.     

超子中子星性质的温度效应

从相对论平均场理论出发,考虑核子、超子和介子的相互作用,研究了温度对中子星组成粒子、状态方程和中子星质量等的影响.发现温度越高,超子在中子星内部出现时的重子数密度越低.当密度较高时,中子星的核心区主要由超子组成,即中子星转变成以奇异粒子为主要成分的超子星,并且这种转变受到温度的影响,温度越高,转变密度越低.由于超子的出现,中子星核心高密度区域的状态方程,对于不同温度,差别不大,所以有限温度中子星的最大质量都在1.8M_⊙附近.这与观测结果相符.     

f0（975）和Ф（1020）介子对中子星物质的影响

利用相对论平均场理论，考虑了σ＊，Ф介子及重子八重态{N，P，A，∑^-，∑0,∑＋，Ξ^-，Ξ^0}，研究了中子星的性质．发现当考虑了σ＊，Ф介子的贡献时，超子出现的临界重子数密度降低了，超子数目增加了，超子星的转变密度poH降低了，物态方程变软，最大质量变小而相应的中子星半径增大，中子星的中心重子数密度、中心能量密度和中心压强均降低．     

208ΛPb的超子分布半径和中子星结构

从相对论平均场理论出发,考虑核子、超子和介子自由度,研究了208ΛPb的超子分布半径与中子星的性质以及它们之间的关系. 计算发现当超子的耦合常数比值由0.3增大到1时,对NLSH和NL3参数组,超核的超子分布半径分别由3.905和3.849fm增大到4.346和4.230fm,而中子星的最大质量分别由1.516和1.429M⊙增大到2.776和2.744M⊙,质量为1.4M⊙的中子星半径分别由13.13和12.79km增大到13.24和13.29km.即中子星的最大质量和半径随超子分布半径增大而增加. 这样只要从实验上确定208ΛPb的超子分布半径,就可以得到中子星结构的信息.     

_Λ~(208)Pb的超子分布半径和中子星结构

从相对论平均场理论出发 ,考虑核子、超子和介子自由度 ,研究了2 0 8ΛPb的超子分布半径与中子星的性质以及它们之间的关系 .计算发现当超子的耦合常数比值由 0 .3增大到 1时 ,对NLSH和NL3参数组 ,超核的超子分布半径分别由3 .90 5和 3 .849fm增大到 4.3 4 6和 4.2 3 0fm ,而中子星的最大质量分别由 1 .51 6和1 .42 9M⊙ 增大到 2 .776和 2 .744M⊙ ,质量为 1 .4M⊙ 的中子星半径分别由 1 3 .1 3和 1 2 .79km增大到 1 3 .2 4和 1 3 .2 9km。即中子星的最大质量和半径随超子分布半径增大而增加 .这样只要从实验上确定2 0 8ΛPb的超子分布半径 ,就可以得到中子星结构的信息     

σ^＊和Ф介子对有限温度中子星物质的影响

考虑到矿，中介子的贡献及重子八重态{n，p，∧，∑^-，∑^0，∑^＋，≡^-，≡^0}，采用相对论平均场方法，在5—25MeV的有限温度范围内，对中子星物质的性质进行了研究．发现当考虑到σ^＊，Ф介子的贡献后，超子出现的临界密度降低了（但对∧超子，影响并不显著），超子的粒子数密度增加了，在能量密度较高时物态方程变软，中子星的最大质量变小而相应的半径增大，中子星的中心粒子数密度、中心能量密度和中心压强都降低了．当温度为较低的T=5MeV，10MeV时，σ^＊，Ф介子的参与使出现∑^0，≡^0，∑^＋超子的临界密度极大地降低了；但当温度为较高的T=15MeV，20MeV，25MeV时，影响则较小．对于∧，∑^-，≡^-超子来说，在上述所有温度下，矿，中介子对超子出现的临界密度的影响都不明显．     

σ和φ介子对有限温度中子星物质的影响

考虑到σ*,φ介子的贡献及重子八重态{n,p,Λ,Σ^－,Σ⁰,Σ⁺,Ξ^－,Ξ⁰}, 采用相对论平均场方法,在5—25MeV的有限温度范围内, 对中子星物质的性质进行了研究. 发现当考虑到σ*,φ介子的贡献后, 超子出现的临界密度降低了(但对Λ超子, 影响并不显著), 超子的粒子数密度增加了, 在能量密度较高时物态方程变软, 中子星的最大质量变小而相应的半径增大, 中子星的中心粒子数密度、中心能量密度和中心压强都降低了. 当温度为较低的T=5MeV, 10MeV时, σ*,φ介子的参与使出现Σ⁰,Ξ⁰,Σ⁺超子的临界密度极大地降低了; 但当温度为较高的T=15MeV, 20MeV, 25MeV时, 影响则较小. 对于Λ,Σ^－,Ξ^－超子来说, 在上述所有温度下, σ*,φ介子对超子出现的临界密度的影响都不明显.     

A^208Pb的超子分布半径和中子星结构

从相对论平均场理论出发，考虑核子、超子和介子自由度，研究了A^208Pb的超子分布半径与中子星的性质以及它们之间的关系。计算发现当超子的耦合常数比值由0．3增大到1时，对NLSH和NL3参数组，超核的超子分布半径分别由3．905和3．849fm增大到4．346和4．230fm，而中子星的最大质量分别由1．516和1．429M增大到2．776和2．744M，质量为1．4M的中子星半径分别由13．13和12．79km增大到13．24和13．29km。即中子星的最大质量和半径随超子分布半径增大而增加。这样只要从实验上确定A^208Pb的超子分布半径，就可以得到中子星结构的信息。     

超子耦合常数对混合星性质的影响

用相对论平均场理论描述强子物质, 用NJL模型描述夸克物质研究了超子耦合常数对混合星性质的影响. 结果表明, 随着超子耦合常数的增大, 强子-夸克相变密度变小, 混合相区域的状态方程变硬, 中子星的最大质量及对应的半径变大. 超子耦合常数由0.73增到1.0时, 混合星最大质量由1.68M_⊙增至1.84M_⊙, 相应的半径由11.4km变到12.5km. 该夸克模型下不同强子参数组对应的混合星性质也有较明显的差异. 可知, 其适合于描述大质量而小夸克核心的混合星.     

超子耦合参数对热前中子星物质的影响

在相对论平均场理论框架内,利用Λ超子的结合能和中子星质量的观测数据得到超子标量介子耦合参数χσ的范围是0.33—0.77。在这个范围内, 研究了χσ取不同值时, 包含核子, Λ和Ξ超子的热前中子星（固定单个重子熵s=1）的性质。结果表明, 如果超子耦合参数变大, 前中子星核心温度变高, 中微子丰度变低, 前中子星的亚稳态质量范围变小。如果χσ超过了0.75, 前中子星不可能演变成黑洞。联系SN1987A讨论了这一结果的意义。In the framework of the relativistic mean field theory(RMFT), protoneutron stars with hyperons are studied. To be compatible with neutron star masses, the hyperon scalar coupling χσ should lie in the range of 0.33—0.77. As the hyperon scalar coupling increases, in protoneutron star matter, the core temperature increases whereas the abundance of neutrinos decreases. The metastable mass range of protoneutron stars narrows as the temperature increases. It is found that a protoneutron star cannot subside into a low mass black hole when χσ>0.75. Furthermore, the case of SN1987A is discussed.     

中子星内部结构

中子星是宇宙中一类极端致密的天体,其平均密度超过饱和核物质密度。对这类天体的研究,可以帮助人们了解极端条件下的物理性质,特别是深化关于引力和强力的认识。文章介绍了脉冲星和中子星的概念,并重点阐述了中子星内部结构的不同模型,以及如何通过最大质量和潮汐形变量等观测来检验这些模型。未来发现更多的双中子星并合或中子星黑洞并合事件,有望最终揭开中子星内部结构之谜。     

色味锁夸克物质与夸克星

讨论了零温、强磁场下基于准粒子模型的奇异夸克物质、色味锁夸克物质的热力学性质.结果表明色味锁夸克物质比奇异夸克物质更稳定,压强会随着色味锁态能隙常数的增大而增加.并且发现强磁场下磁星的最大质量会随着色味锁夸克物质的能隙常数的增加而增加,磁星的潮汐形变率会随着能隙常数的增加而增加,磁星最大质量的中心密度会随着能隙常数的增加而降低.结果还说明考虑色味锁态得到的磁星质量半径关系可以满足最近实验观测PSR J0740+6620, PSR J0030+0451,和HESS J1731-347所给出的质量半径约束.     

核对称能实验得到最新的π介子数据和对称能约束

中子星并合事件GW170817重新点燃了人们对中子星性质研究的广泛兴趣.由于中子星内部的质子和中子的数量极不对称性,核对称能项对中子星内部的物质状态方程有重要贡献.重离子碰撞是地面实验室唯一能产生高密核物质并研究核状态方程的手段.在亚GeV/u的重离子碰撞中,π介子主要来自弹靶重叠的高密区,其产额比M(π-)/M(π+...     

前中子星内的K-凝聚和超子的生成

用相对论平均场下的手征强子模型研究了前中子星内K^-凝聚和超子的生成。结果显示，前中子星内的中微子束缚使得出现K^-凝聚的临界密度推迟到更高的重子密度，而K^-0凝聚无法出现。同时中微子束缚使得前中子星的状态方程变硬，从而前中子星的最大质量变大。如果考虑超子，前中子星内无法出现K^-凝聚，同时系统的状态方程变软（与不含超子的情况相比），从而对应前中子星的最大质量变小。A chiral hadronic model is extended to investigate antikaon condensation and hyperons production of protoneutron stars. Our results show that neutrino trapping makes the critical density of K^- condensation delay to higher density and K^-0 condensation not occur. Meanwhile, the equation of state （EOS） of （proto）neutron star matter considering neutrino trapping is stiffer than the case without neutrino trapping. Therefore the maximum masses of rotoneutron stars with neutrino trapping are larger than those without neutrino trapping. If hyperons are considered, antikaon condensation does not appear in （proto） neutron stars. Meanwhile, the corresponding EOS becomes much softer, and the maximum masses of （proto）neutron stars are smaller than those without hyprons.     

转动潮汐变形双星理论模型研究

转动和潮汐效应是影响双星系统结构和演化不可忽略的重要物理因素. 根据大质量双星系统V478 Cyg的观测结果, 检验了提出的转动潮汐变形的理论模型. 将转动潮汐变形的模型与传统的双星演化模型对比发现: 转动和潮汐效应使恒星外层(低于平均密度区)发生的形变远大于内层; 恒星两极点重力加速度变大, 赤道面上重力加速度变小; 转动潮汐变形模型具有较大的半径、赤道速度和中心集中度, 较低的氢核能产生率, 恒星向低温和低光度端演化. 此外, 大质量双星系统V478 Cyg由潮汐形变造成的拱线运动速率大于转动形变造成的拱线运动速率, 广义相对论效应造成的拱线运动最小. 由于主星具有较高的中心集中度, 次星潮汐、转动形变造成的拱线运动速率均大于主星相应的拱线运动速率.     

中子星的相对论平均场研究

在相对论平均框架内计算了不同超子耦合参数下中子星内部物质的状态方程,进一步求解Oppenheimer-Volkoff方程得到了中子星的各种性质.结果表明,参数的变化对这些性质有明显的影响.     

双中子星并合的中微子信号

2017年8月17日,LIGO/Virgo首次探测到了双中子星并合事件的引力波信号,随后多波段的跟进观测获得了GW170817事件的多波段"全息"图像并确认源头在40 Mpc外的NGC4993星系,但颇为遗憾的是(尽管与理论预期符合)当时全球运行中的中微子探测器都没有探测到与GW170817相关联的中微子。普遍认为,热中微子在双星引力潮汐撕裂绕行阶段就会产生,在并合事件后的十几毫秒内达到峰值;若并合中心产物为伽马射线暴或者稳定的磁星,还会在并合的即刻至数天内产生超高能中微子。因此,中微子信号不仅可以辅助研究并合后的产物环境,还可以在天文尺度上研究中微子的基本性质和寻找粒子物理标准模型之外的新物理。即使只探测到一个热中微子事件,也可以获得热中微子的能谱标度信息和诊断并合后十几毫秒内星体本身和周围环境的物理参数。另外,因为引力波以光速传播,通过热中微子信号相对引力波信号的时延,可限制中微子的绝对质量。若探测到延迟的高能中微子信号,除了可以清楚地证明双中子星并合的中心产物是磁星,还可以研究并合产物附近的磁场环境和宇宙射线加速机制。     

密度相关的相对论平均场理论对核物质和中子星的描述

基于密度相关有效相互作用的相对论平均场理论,研究了核物质和中子星的性质.对核物质的饱和性质,密度相关的相互作用DD-ME1和TW-99给出了与NL1,NL3,NLSH,TM1基本一致的结果;NL2和TM2主要用于计算轻核,与它们的结果差别较大.对于中子星,在低密度区域,各种相互作用给出的介子势场差别不大;在高密度区域,相应的介子势场的差别随密度增加而增大.密度相关的相互作用DD-ME1和TW-99,与NL1,NL3和NLSH的结果相比,其物态方程明显偏软.相应的中子星的最大质量也不同,不同有效相互作用给出的最大质量为2.0—3.0M⊙,从大到小的顺序依次是NLSH?,NL3,NL1,DD-ME1,TW-99,TM1和GL-97,对应的半径为10—14km.     

能通过大质量中子星转动惯量来限定超子参数吗?

在相对论平均场理论（RMFT）框架内,使用GL91参数组结合超核数据和大质量中子星的观测数据限定超子标量耦合参数X_σ=0.59~1.0,用慢转近似计算了大质量中子星和前中子星的转动惯量。当X_σ从0.59增加到1.0,中子星（前中子星）的最大转动惯量增幅达89%（60%）。在同样的变化范围内,用Crab的观测数据,计算得到中子星（前中子星）的最大能量损失（dE/dt）的增幅为44%（25%）,最大磁场增幅为48%（38%）。相比于前中子星,中子星的性质对超子参数更为敏感。当X_σ从0.59增加到1.0,PSR J0348+0432的转动惯量和dE/dt的增幅均为14%,而磁场减幅为10%。如果天文观测能够给出中子星转动惯量的上限,或者同时精确测量中子星的质量和转动惯量,能帮助人们进一步限定超子参数。In the framework of the relativistic mean field theory(RMFT) with GL91 cets, the momentum of inertia (I) of slowly rotating neutron stars is studied by perturbative approach. The scalar hyperon coupling should lie in the range of X_σ=0.59~1.0 to be compatible with massive neutron stars. As X_σ increases from 0.59 to 1.0, the maximum momentum of inertia(I_max) of neutron (protoneutron) stars increases by 89% (60%). According to the data of Crab, the maximum energy loss(dE/dt) of neutron (protoneutron) stars will increase by 44%(25%)and the maximum magnetic field (B) will increase by 48%(38%). I and dE/dt of PSR J0348+0432 both increase by 14%, while B decreases by 10% as X_σ increases from 0.59 to 1.0. So if the upper bound of I, or the accurate values of both the mass and I of neutron stars could be provided by the astronomical observations, the hyperon couplings should be further constrained in the future.