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利用多信使探针约束致密物质状态方程取得重要进展
Published:2019-07-02 Hits:484

信息来源:陈列文研究组

2019年6月3日,美国物理学会《物理评论D》以快报(Rapid Communications)Physical Review D 99, 121301(R)(2019)刊发了上海交通大学物理与天文学院陈列文研究组题为“Equation of state of dense matter in the multimessenger era”的文章。该工作首次结合地面原子核实验数据、重离子碰撞集体流数据、天文上观测到的2倍太阳质量(M)中子星以及最近双中子星并合引力波信号GW170817等多信使探针,对致密核物质的状态方程进行了约束,同时给出了1.4 M中子星的潮汐极化率下限及半径的限制。

2015年,人类首次探测到了双黑洞并合引力波信号GW150914,宣布了引力波天文学时代的到来。2017年人类又首次探测到了双中子星并合引力波信号GW170817及其电磁对应体,从而开启了多信使天文学时代。一般认为中子星内部主要由致密核物质组成。核物质是指由中子和质子组成的无穷大均匀物质体系,其状态方程是核物理和天体物理领域的一个基本问题,而核物质对称能表征了由于中子和质子比份不同而引起的核物质状态方程的变化。经过长期研究,人们对于中子和质子比份相等的对称核物质的状态方程已有比较清楚地认识,但对于核物质对称能的了解还有很大的不确定性,尤其是在高密区域。由于中子星中心密度约为重原子核中心密度的5-8倍,同时在中子星内部中子比份远大于质子比份,所以中子星及其相关引力波信号为研究高密核物质对称能提供了天然的探针。

图(左):重离子碰撞集体流约束、中子星最大质量Mmax>1.97M、以及引力波信号要求1.4M中子星潮汐极化率L1.4<580,得出对称能曲率参数KsymÎ(-175,-36)MeV, 核物质偏斜参数J0Î(-464,-342)MeV,潮汐极化率L1.4>261;(右):依照左图约束的参数,相应地给出了对称能、对称核物质、纯中子物质及b稳定中子星核物质的压强随密度的变化。

该项工作发现2 M中子星的存在有效地排除了较软的高密对称能,而来自引力波信号GW170817的潮汐极化率限制则要求高密对称能不能太硬,从而将对称能约束在一个较小的范围内。随着引力波探测装置的不断升级,人们期待更多中子星相关的引力波信号将被探测到,这将对核物质状态方程,尤其是高密核物质对称能给出更加严格和精确的约束。

该项工作的论文第一作者是上海交通大学物理与天文学院博士生周颖,通讯作者为陈列文教授,中山大学张振副教授参与了该工作的理论分析。该研究得到了国家自然科学基金(项目编号:11625521)、科技部973项目(项目编号:2015CB856904)和上海市科委项目(项目编号:11DZ2260700)的支持。

论文链接:Ying Zhou, Lie-Wen Chen, Zhen Zhang, Physical Review D 99, 121301(R) (2019)。https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.99.121301

 

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