[論文レビュー] The NDL Equation of State for Supernova Simulations

Matthew Meixner, J. Pocahontas Olson+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2013

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、超新星および中性子星シミュレーションのための更新・改良されたノートルダム・リバモア（NDL）状態方程式（EoS）を提示する。このEoSは、密度汎関数理論、核統計平衡、パイオンおよび共鳴状態効果、3体力、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る。袋定数B^{1/4} ≥ 190 MeVの条件下で、1.97±0.04 M⊙の中性子星質量制約を満たしており、核心崩壊超新星における第一種QCD相転移または連続的転移（crossover）の可能性を支持する。

ABSTRACT

We present an updated and improved equation of state (which we call the NDL EoS) for use in neutron-star structure and supernova simulations. This EoS is based upon a framework originally developed by Bowers & Wilson, but there are numerous changes. Among them are: (1) a reformulation in the context of density functional theory; (2) the possibility of the formation of material with a net proton excess (Ye > 0.5); (3) an improved treatment of the nuclear statistical equilibrium and the transition to heavy nuclei as the density approaches nuclear matter density; (4) an improved treatment of the effects of pions in the regime above nuclear matter density including the incorporation of all the known mesonic and baryonic states at high temperature; (5) the effects of 3-body nuclear forces at high densities; and (6) the possibility of a first-order or crossover transition to a QCD chiral symmetry restoration and deconfinement phase at densities above nuclear matter density. This paper details the physics of, and constraints on, this new EoS and describes its implementation in numerical simulations. We show comparisons of this EoS with other equations of state commonly used in supernova collapse simulations.

研究の動機と目的

• コア収縮超新星および中性子星シミュレーションのための、古くなったBowers & Wilsonフレームワークに代わる物理的に整合性のある新しい状態方程式（EoS）の開発。
• 高密度におけるパイオン寄与、メソンおよびバリオン共鳴状態、3体力、および核統計平衡（NSE）を含む、現代の核物理学効果の統合。
• 高密度におけるクォーク・グルーオンプラズマ（QGP）相への第一種または連続的相転移の可能性を、観測された1.97±0.04 M⊙の中性子星質量と整合させる。
• 実験的核物質制約および最近の中性子星質量・半径測定と整合するEoSの保証。
• 数値的天体物理学的シミュレーションに使用可能な、密度、温度、電子割合（Ye）をカバーする公開済みの表形式EoSの提供。

提案手法

• 核多体物理学との整合性を高めるために、密度汎関数理論フレームワーク内でのEoSの再定式化。
• T ≈ 0.5 MeV以上の高温領域で動的核統計平衡（NSE）を扱い、それ未満では9要素反応ネットワークに移行。
• 高密度・高温領域におけるパイオンおよび既知の全メソン・バリオン共鳴状態の効果を、修正されたゼロ範囲3体相互作用を含むパラメータ化されたSkyrmeエネルギー密度関数で取り入れる。
• 高密度相を、調整可能な袋定数Bを用いた袋モデルで、第一種相転移へのQGPへの遷移をGibbs構成法でモデル化。
• 格子QCD（LGT）の連続的転移温度および観測された1.97±0.04 M⊙の中性子星質量から、QGP相転移の妥当なパラメータ空間を制限。
• 非-NSE領域における数値ルーチンを備えた、密度、温度、電子割合（Ye）をカバーする表形式のEoSの提供。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第一種または連続的相転移によるクォーク・グルーオンプラズマ（QGP）相への統合が、中性子星質量制約を満たす形で超新星EoSに一貫して組み込まれるか。
• RQ2 パイオン効果、バリオンおよびメソン共鳴状態、3体核力の組み込みが、EoSの高密度領域における挙動に与える影響は何か。
• RQ3 LS91、Shen98およびそのアップデート版と比較して、NDL EoSは質量-半径関係および最大中性子星質量の観点でどのように異なるか。
• RQ4 観測された1.97±0.04 M⊙の中性子星質量は、袋定数B^{1/4}およびQGP形成の開始密度にどのような制約を課えるか。
• RQ5 QGPへの混合相転移の組み込みが、コア収縮超新星における衝撃波ダイナミクスおよび核合成に与える影響はどの程度か。

主な発見

• 袋定数B^{1/4} ≥ 190 MeVの条件下で、NDL EoSは1.97±0.04 M⊙の中性子星質量制約を満たしており、第一種QCD相転移が実現可能であることを示唆する。
• 第一種QCD相転移が中性子星質量限界と整合するのは、袋定数が十分に大きい場合に限る。B^{1/4} ≥ 190 MeVでは、Tc > 150 MeVである必要がある。
• EoSは高バリオン密度でQGP相転移を支持しており、混合相の開始はYe ≈ 0.3のときn ≈ 0.6 fm⁻³で発生し、原始中性子星の状態と整合する。
• 単純なQCD連続的転移の場合、任意の袋定数で中性子星質量制約が満たされるため、観測とより広く整合する。
• NDL EoSは観測と整合する質量-半径関係を生成し、元のBowers & WilsonおよびLS180 EoSよりも1.97±0.04 M⊙の制限をよく満たす。
• 3体力、パイオン効果、共鳴状態の組み込みにより、EoSの高密度領域における挙動が著しく改善され、超新星シミュレーションにおける物理的妥当性が向上する。