[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了基于密度泛函理论（DFT）的圣母院-利弗莫尔（Notre Dame-Livermore, NDL）方程态（EoS），用于天体物理模拟，该EoS引入了三体力、π介子效应以及可能的胶子-夸克物质（QGP）相变。与以往的EoS相比，该EoS在密度依赖的对称能和热π介子形成作用下，实现了更稳健的核心坍缩超新星爆发。

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.

研究动机与目标

• 开发一种适用于核心坍缩超新星、中子星并合及黑洞坍缩的通用核方程态（EoS），基于密度泛函理论（DFT）。
• 在高密度与高温条件下引入三体核力与π介子效应，以增强EoS的刚性并改善软化动力学。
• 通过Gibbs构造方法，在超核密度下纳入可能的一阶相变至胶子-夸克物质（QGP）相。
• 在核心坍缩超新星模拟中测试该EoS，并评估其对爆发稳健性与中微子发射的影响。

提出的方法

• 在Skyrme型DFT框架内构建EoS，采用由核物质性质、中子星观测数据及对称能数据约束的参数集。
• 通过DFT拉格朗日量中的密度依赖项引入三体力，以在高密度下增强EoS刚性，并满足最大中子星质量约束。
• 在高温下引入热π介子产生，以在核心区域软化EoS，从而增强对流与爆发动力学。
• 利用Gibbs构造实现一阶QGP相变，其约束来自格点QCD与中子星质量测量。
• 在球对称的核心坍缩超新星模拟中应用该EoS，评估激波恢复与中微子辐射亮度演化。
• 与Bowers和Wilson EoS对比，评估爆发稳健性与晚期中微子光曲线。

实验结果

研究问题

• RQ1 在基于DFT的EoS中引入三体力，如何影响最大中子星质量与核心坍缩超新星爆发动力学？
• RQ2 热π介子产生与密度依赖的对称能，在超新星模拟中对激波恢复与爆发稳健性有多大贡献？
• RQ3 能否在满足中子星质量约束的前提下，一致地将超核密度下的一阶QGP相变纳入基于DFT的EoS？
• RQ4 NDL-DFT EoS中不同Skyrme参数化对核心坍缩超新星的晚期中微子辐射亮度与激波演化有何影响？
• RQ5 在失败超新星与中子星并合中，EoS依赖的动力学对中微子光曲线与核合成的可观测后果是什么？

主要发现

• 包含三体力的NDL-DFT EoS成功满足观测到的最大中子星质量约束，要求一阶QGP相变的袋常数 $ B^{1/4} \geq 190 $ MeV。
• 在高温下引入热π介子形成导致核心软化，从而增强对流，有助于实现更稳健的超新星爆发。
• 使用NDL-DFT EoS的核心坍缩超新星模拟显示，其爆发比Bowers和Wilson EoS更稳健，尤其体现在激波恢复与动能演化方面。
• NDL-DFT EoS的中微子辐射亮度在不同Skyrme参数集下于晚期（>250 ms）表现出显著差异，表明中微子发射对EoS具有敏感性。
• 该EoS在中微子光曲线、激波动力学与核合成方面均导致可观测差异，凸显其通过天体物理观测约束核物理的潜力。
• NDL-DFT EoS被证明适用于核心坍缩超新星、中子星并合与黑洞形成模拟，为RMF与液滴模型提供了新的理论替代方案。