[논문 리뷰] Generalized density functional equation of state for astrophysical simulations with 3-body forces and quark gluon plasma

J. Pocahontas Olson, MacKenzie Warren외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 28.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 2인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 천체물리학적 시뮬레이션을 위한 노트르담-라이브모어(Notre Dame-Livermore, NDL) 밀도-functional 이론(Density Functional Theory, DFT)-기반 상태방정식(Equation of State, EoS)을 제시한다. 이 EoS는 3체 힘, 파이온 효과, 그리고 양성자-구름핵(Quark-Gluon Plasma, QGP) 상전이를 포함한다. 이는 밀도에 따라 변화하는 대칭 에너지와 열적 파이온 형성에 의해 이전의 EoS들과 비교해 더 견고한 핵융합 초신성 폭발을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 핵융합 초신성, 중성자별 융합, 블랙홀 붕괴를 위한 일반적인 핵 상태방정식(EoS)을 밀도-functional 이론(DFT)을 사용하여 개발한다.
• 고밀도 및 고온 조건에서 3체 핵력과 파이온 효과를 포함시켜 EoS의 강성과 부드러움을 향상시킨다.
• Gibbs 구성법을 통해 초핵밀도에서의 첫 번째 계열의 QGP 상전이를 포함시킨다.
• 핵융합 초신성 시뮬레이션을 통해 EoS의 폭발 견고성과 중성자율 방출에 미치는 영향을 평가한다.

제안 방법

• 핵물질 성질, 중성자별 관측 및 대칭 에너지 자료로 제약된 매개변수 집합을 사용하여 스카이름 유형 DFT 프레임워크 내에서 EoS를 수립한다.
• DFT 라그랑지안에 밀도에 따라 변화하는 항을 통해 3체 힘을 포함시켜 고밀도에서 EoS를 강성화하고 최대 중성자별 질량 제약을 충족시킨다.
• 고온에서 열적 파이온 생성을 포함시켜 핵의 부드러움을 줄여 대류와 폭발 역학을 향상시킨다.
• Lattice QCD와 중성자별 질량 측정치로 제약을 받는 Gibbs 구성법을 사용하여 첫 번째 계열의 QGP 상전이를 구현한다.
• 구형 대칭 핵융합 초신성 시뮬레이션에서 EoS를 사용하여 충격파 복귀와 중성자율 빛의 세기 변화를 평가한다.
• 폭발 견고성과 후기 중성자율 빛의 세기 곡선 평가를 위해 Bowers와 Wilson EoS와 결과를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DFT 기반 EoS에 3체 힘을 포함시키면 최대 중성자별 질량과 핵융합 초신성 폭발 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 열적 파이온 형성과 밀도에 따라 변화하는 대칭 에너지는 초신성 시뮬레이션에서 충격파 복귀와 폭발 견고성에 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 초핵밀도에서 첫 번째 계열의 QGP 상전이를 DFT 기반 EoS에 일관되게 통합할 수 있는가? 이때 중성자별 질량 제약을 충족시킬 수 있는가?
• RQ4 NDL-DFT EoS 내의 다양한 스카이름 매개변수화가 핵융합 초신성에서 후기 중성자율 빛의 세기와 충격파 진화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실패한 초신성와 중성자별 융합에서 중성자율 빛의 세기와 핵합성에 EoS 의존적 역학이 어떤 관측 가능한 결과를 낳는가?

주요 결과

• 3체 힘을 포함한 NDL-DFT EoS는 관측된 최대 중성자별 질량 제약을 성공적으로 충족시키며, 첫 번째 계열 QGP 상전이를 위해 배지 상수 $ B^{1/4} \geq 190 $ MeV 가 필요하다.
• 고온에서 열적 파이온 형성의 포함은 핵의 연성 증가를 유도하며, 이는 대류를 강화하고 더 견고한 초신성 폭발에 기여한다.
• NDL-DFT EoS를 사용한 핵융합 초신성 시뮬레이션은 Bowers와 Wilson EoS보다 더 견고한 폭발을 보이며, 특히 충격파 복귀와 운동에너지 변화에서 두드러진다.
• 다양한 스카이름 매개변수 집합에서 NDL-DFT EoS의 중성자율 빛의 세기는 후기 시점(>250 ms)에서 서로 다름을 보이며, 이는 중성자율 방출에 EoS 민감도를 시사한다.
• EoS는 관측 가능한 중성자율 빛의 세기 곡선, 충격파 역학, 핵합성에 차이를 만들어내며, 천체물리학적 관측을 통한 핵물리학 제약 가능성을 부각시킨다.
• NDL-DFT EoS는 핵융합 초신성, 중성자별 융합, 블랙홀 형성 시뮬레이션에 유용하며, RMF와 액체드롭 모델에 대한 새로운 이론적 대안을 제공한다.