[論文レビュー] Generalized density functional equation of state for astrophysical simulations with 3-body forces and quark gluon plasma

J. Pocahontas Olson, MacKenzie Warren+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、核密度汎関数理論（DFT）に基づくノートルダム・リバモア（NDL）状態方程式（EoS）を、天体物理学的シミュレーションに適用する。3体力、π中間子効果、およびクォーク-グルーオンプラズマ（QGP）相転移を組み込んだものであり、密度に依存する対称性エネルギーと熱的π中間子形成の影響により、従来のEoSよりもより安定した核心崩壊超新星爆発を再現する。

ABSTRACT

We present an updated general purpose nuclear equation of state (EoS) for use in simulations of core-collapse supernovae, neutron star mergers and black hole collapse. This EoS is formulated in the context of Density Functional Theory (DFT) and is generalized to include all DFT EoSs consistent with known nuclear and astrophysical constraints. This EoS also allows for the possibility of the formation of material with a net proton excess ($Y_p > 0.5$) and has an improved treatment of the nuclear statistical equilibrium and the transition to heavy nuclei as the density approaches nuclear matter density. We include the effects of pions in the regime above nuclear matter density and incorporate all of the known mesonic and baryonic states at high temperature. We analyze how a 3-body nuclear force term in the DFT at high densities stiffens the EoS to satisfy the maximum neutron star constraint, however the density dependence of the symmetry anergy and the formation of pions at high temperatures allows for a softening of the central core in supernova collapse calculations leading to a robust explosion. We also add the possibility of a transition to a QCD chiral-symmetry-restoration and deconfinement phase at densities above nuclear matter density. This paper details the physics, and constraints on, this new EoS and presents an illustration of its implementation in both neutron stars and core-collapse supernova simulations. We present the first results from core-collapse supernova simulations with this EoS.

研究の動機と目的

• 核密度汎関数理論（DFT）を用いて、核心崩壊超新星、中性子星合体、ブラックホール崩壊のための汎用的核状態方程式（EoS）を開発すること。
• 高密度および高温における3体核力とπ中間子効果を組み込み、EoSの硬さと軟化ダイナミクスを向上させること。
• ギブズ構成法を用いて、核密度を超える密度におけるクォーク-グルーオンプラズマ（QGP）への一次相転移を可能にする。
• 核心崩壊超新星シミュレーションにおいてEoSをテストし、爆発の強固さとニュートリノ放射の影響を評価すること。

提案手法

• 核物質の性質、中性子星観測、対称性エネルギーのデータから制約を受けたパラメータセットを用いて、スカイア型DFTの枠組み内でEoSを定式化する。
• DFTラグランジアンにおける密度依存項を通じて3体力を組み込み、高密度におけるEoSの硬さを高め、最大中性子星質量制約を満たす。
• 高温における熱的π中間子生成を組み込み、核の軟化を促進し、対流と爆発ダイナミクスを強化する。
• 格子QCDと中性子星質量測定からの制約を用いて、ギブズ構成法を用いて一次相転移としてQGP相転移を実装する。
• 球対称な核心崩壊超新星シミュレーションにおいてEoSを用い、衝撃波の再生とニュートリノ放射度の時間発展を評価する。
• 爆発の強固さと遅刻ニュートリノ光曲線を評価するために、ボウアーズとワイルズのEoSと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DFTに基づくEoSに3体力を組み込むことで、最大中性子星質量と核心崩壊超新星爆発ダイナミクスにどのような影響を与えるか？
• RQ2 高温における熱的π中間子生成と密度に依存する対称性エネルギーは、シミュレーションにおける衝撃波の再生と爆発の強固さにどの程度寄与するか？
• RQ3 核密度を超える密度におけるクォーク-グルーオンプラズマ（QGP）への一次相転移を、中性子星質量制約を満たしつつ、DFTに基づくEoSに一貫して組み込むことができるか？
• RQ4 NDL-DFT EoS内の異なるスカイアパラメータセットは、核心崩壊超新星における遅刻ニュートリノ放射度と衝撃波進化にどのような影響を与えるか？
• RQ5 失敗した超新星および中性子星合体におけるニュートリノ光曲線と核合成に、EoS依存のダイナミクスがもたらす観測可能な結果は何か？

主な発見

• 3体力を含むNDL-DFT EoSは、最初の一次相転移を伴うQGPに対して、袋定数 $ B^{1/4} \\_\geq 190 $ MeV が必要であるが、観測された最大中性子星質量制約を満たしている。
• 高温における熱的π中間子形成の組み込みにより、核の軟化が生じ、対流が強化され、より強固な超新星爆発に寄与する。
• NDL-DFT EoSを用いた核心崩壊超新星シミュレーションでは、ボウアーズとワイルズのEoSよりもより強固な爆発が得られ、特に衝撃波の再生と運動エネルギーの時間発展において顕著である。
• 異なるスカイアパラメータセットにおいて、NDL-DFT EoSのニュートリノ放射度は、250 ms以降の遅刻において発散的発展を示し、ニュートリノ放射におけるEoS感受性を示している。
• EoSはニュートリノ光曲線、衝撃波ダイナミクス、核合成に顕著な観測可能な違いをもたらし、天体物理学的観測による核物理学の制約に潜在的である。
• NDL-DFT EoSは、核心崩壊超新星、中性子星合体、ブラックホール形成のシミュレーションに有効であることが示され、RMFモデルや液体-dropモデルの新たな理論的代替手段を提供する。