[论文解读] Equation of State of Hot Dense Hyperonic Matter in the Quark-Meson-Coupling (QMC-A) model

J. R. Stone, Verônica Dexheimer+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 1

一句话总结

本文提出了一种基于夸克-介子耦合原子模型（QMC-A）的新状态方程（EoS），用于描述高温高密度的奇异强子物质，该模型引入了亚强子自由度并包含五个受约束的参数。该EoS预测，在原中子星和中子星并合残余物中，由于温度和密度依赖性，奇异强子丰度显著增加，且声速降低至共形极限1/3以下，这与奇异强子的出现有关，而非以往认为的夸克物质核心信号，从而挑战了‘低速声速即为夸克物质核心’的假设。

ABSTRACT

We report a new equation of state (EoS) of cold and hot hyperonic matter constructed in the framework of the quark-meson-coupling (QMC-A) model. The QMC-A EoS yields results compatible with available nuclear physics constraints and astrophysical observations. It covers the range of temperatures from T=0 to 100 MeV, entropies per particle S/A between 0 and 6, lepton fractions from Y$_L$=0.0 to 0.6, and baryon number densities n$_B$=0.05-1.2 fm$^{-3}$. Applications of the QMC-A EoS are made to cold neutron stars (NS) and to hot proto-neutron stars (PNS) in two scenarios, (i) lepton rich matter with trapped neutrinos and (ii) deleptonized chemically equilibrated matter. We find that the QMC-A model predicts hyperons in amounts growing with increasing temperature and density, thus suggesting not only their presence in PNS but also, most likely, in NS merger remnants. The nucleon-hyperon phase transition is studied through the adiabatic index and the speed of sound c$_s$. It is shown that the lowering of (c$_s$/c)$^2$ to and below the conformal limit of 1/3 is a general consequence of instabilities due to any phase transition and is not a unique fingerprint of the hadron-quark matter transition. Rigid rotation of cold and hot stars, their moments of inertia and Kepler frequencies are also explored. The QMC-A model results are compared with two relativistic models, the chiral mean field model (CMF), and the generalized relativistic density functional with hyperons (GRDF-Y). Similarities and differences are discussed.

研究动机与目标

• 基于夸克层次动力学，开发一种新的、自洽的高温高密度奇异强子物质状态方程（EoS）。
• 研究温度、熵、轻子分数和化学平衡在决定中子星和原中子星中奇异强子丰度中的作用。
• 评估奇异强子对关键恒星性质（如绝热指数、声速、转动惯量和开普勒频率）的影响。
• 将QMC-A EoS与成熟的相对论模型（CMF和GRDF）在冷中子星、原中子星（PNS-I和PNS-II）以及高温旋转配置下的表现进行比较。
• 评估该EoS对当前天体物理观测（包括GW190814和未来的NICER/BNSM数据）的启示，并提供可用于公开使用的EoS表格。

提出的方法

• 采用夸克-介子耦合原子（QMC-A）模型，该模型将强子描述为在平均场中束缚的夸克，其五个可调参数由核物质性质约束。
• 构建一个全面的EoS，覆盖强子密度范围为0.05至1.2 fm⁻³，温度范围为0至100 MeV，每粒子熵范围为0至6，轻子分数范围为0.0至0.6。
• 实施两种不同的原中子星情景：(i) 富轻子且中微子被俘获的物质（PNS-I），以及(ii) 脱轻子且化学平衡的物质（PNS-II）。
• 采用Hartle-Thorne近似来模拟慢速刚性旋转，计算冷星和热星的转动惯量和开普勒频率。
• 计算绝热指数和声速（𝑐𝑠），以探测稳定性并识别相变的特征，特别是奇异强子的出现。
• 将结果与两种替代模型进行比较：手征平均场（CMF）和广义相对论密度泛函（GRDF），采用DD2和DD2Y-T相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 QMC-A模型如何根据温度、密度和轻子分数预测高温高密度物质中奇异强子的出现与丰度？
• RQ2 由于奇异强子的产生，声速是否显著低于共形极限（𝑐²𝑠 < 1/3）？这种现象是否可能被误认为是夸克物质核心的信号？
• RQ3 在QMC-A模型中，冷中子星与热原中子星在转动惯量和开普勒频率方面有何差异？
• RQ4 QMC-A模型在最大引力质量和恒星结构方面的预测，与CMF和GRDF模型相比如何？
• RQ5 QMC-A EoS能否解释GW190814中次星体的性质，特别是在接近质量甩脱极限的快速旋转条件下？

主要发现

• QMC-A模型预测，随着温度和密度升高，奇异强子含量（尤其是Λ和Σ⁻）显著增加，表明其在原中子星和中子星并合残余物中很可能普遍存在。
• 在高密度下，声速（𝑐𝑠）降低至共形极限1/3以下，这一特征以往被认为与夸克物质核心有关，但此处表明其实际由奇异强子的出现引起，而非禁闭的解除。
• 在PNS-I情景（中微子被俘获）中，由于电子含量高，奇异强子丰度被抑制；而在PNS-II情景（脱轻子）中，奇异强子丰度增加以维持电中性。
• QMC-A EoS得到的冷中子星最大引力质量与当前观测限制一致，无需精细调节即可解决所谓的‘奇异强子疑难’。
• 冷中子星的转动惯量与引力质量及紧凑度关系保持普适性，但在热原中子星中该关系被打破，反映出其热力学复杂性。
• 利用RNS代码在开普勒质量甩脱极限下计算的旋转星最大引力质量上限，与将GW190814次星体解释为大质量快速旋转中子星的解释一致。