[论文解读] Effect of the symmetry energy and hyperon interaction on neutron stars

Daniel Pessoa da Silva Bizarro, Aziz Rabhi+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2015

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 3

一句话总结

本研究利用相对论平均场框架，探究对称能密度依赖性与超子相互作用对中子星性质的影响。研究发现，排斥性超子-超子相互作用与适中的对称能斜率（L ≈ 80 MeV）是实现质量达2 M☉中子星的必要条件；而吸引性的Σ势能可使质量低至1 M☉的恒星中出现奇异数，且中子星半径与奇异数分数呈线性相关，每单位奇异数对应约10.5 km的半径变化。

ABSTRACT

The joint effect of the density dependence of the symmetry energy and strangeness content on the structure of cold neutron stars is studied within the framework of a relativistic mean field theory. It is shown that 2$M_\odot$ are obtained for repulsive $YY$ interaction and preferably for a small or a large slope $L$. An attractive $Σ$ potential in nuclear matter will favor the appearance of strangeness in stars with a mass as small as $\sim 1 M_\odot$, if, however it is repulsive only stars with a mass $\gtrsim 1.4 M_\odot$ will contain strangeness. The joint effect of reducing the symmetry energy slope and including hyperons is to farther reduce the radius. Neutron star maximum mass evolve non-monotonically with the symmetry energy slope, and the smallest masses are obtained for values $L\sim 80$ MeV. Other neutron star variables evolve nonlinearly with the slope of the symmetry energy and depend on the hyperon-nucleon and hyperon-hyperon couplings. The radius of a neutron star is linearly correlated with the neutron star total strangeness fraction and the slope is independent of the slope of the symmetry energy and the mass of the star.

研究动机与目标

• 探究对称能密度依赖性与超子相互作用对中子星结构的联合影响。
• 确定在包含超子的前提下，中子星达到2 M☉所需满足的条件。
• 评估核物质中Σ超子势能对奇弽数出现阈值的影响。
• 检验中子星半径与总奇异数分数之间的线性相关性。
• 评估对称能斜率（L）与超子耦合参数在决定质量、半径与奇异数含量方面的作用。

提出的方法

• 采用包含非线性σρ与ωρ项的相对论平均场（RMF）拉格朗日量，调节对称能的密度依赖性，并将斜率L从50 MeV调节至110 MeV。
• 以TM1参数化为基准，引入超子耦合参数的多种变化，包括φ与ρ介子的SU(6)对称与破缺-SU(6)情形。
• 通过核物质中Λ粒子势能为−28 MeV来定义超子-σ耦合，并测试从吸引到排斥的多种Σ与Ξ势能。
• 在一种参数化中引入隐藏奇异数的σ*介子，以模拟吸引性的超子-超子相互作用。
• 通过数值求解Tolman-Oppenheimer-Volkoff方程，计算每种参数化下的中子星质量、半径与中心密度。
• 分析不同质量与L值下，半径与总奇异数分数之间的线性相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 对称能斜率L与超子-超子相互作用的联合效应如何影响中子星的最大质量？
• RQ2 核物质中Σ超子势能如何影响中子星中奇弽数的出现？
• RQ3 中子星半径是否与总奇异数分数呈线性相关？该斜率是否与L值及恒星质量无关？
• RQ4 在存在超子的情况下，能否实现质量达2 M☉的中子星？对超子相互作用有何条件要求？
• RQ5 不同超子耦合参数化方式如何影响中子星的质量-半径关系与中心密度？

主要发现

• 为实现质量高达2 M☉的中子星，排斥性超子-超子（YY）相互作用是必需的，尤其在对称能斜率适中的情况下。
• 中子星最大质量随对称能斜率L的变化呈非单调关系，在L ≈ 80 MeV时达到最小值。
• 核物质中Σ势能为吸引性时，奇异数可出现在质量约为1 M☉的恒星中；而若为排斥性，则奇异数仅出现在质量M ≳ 1.4 M☉的恒星中。
• 中子星半径与总奇异数分数呈线性相关，斜率约为每单位奇异数10.5 km，且该关系与L值及恒星质量无关。
• 当L从110 MeV降低至50 MeV时，在具有吸引性YY相互作用的超子星中，2 M☉中子星的半径可减小达1 km，而在纯核子星中仅减小约0.5 km。
• 本研究证实，在高密度下约束对称能密度依赖性对于解释中子星观测结果至关重要，因其显著影响质量、半径与奇异数含量。