多信使天文学时代的中子星状态方程研究

Neutron star (NS) structure and its equation of state (EOS) are important cross-disciplinary frontiers in the current multi-messenger astronomy era. In this project, we combine astrophysical observations from gravitational wave, gamma-ray bursts, pulsars, X-ray binaries with terrestrial experiments of nuclear structure, reaction and heavy ion collision, through the calculations of structural equations of relativistic star and nuclear many-body model, to define the uncertain saturation amplitude of r-mode, to explore a direct correlation between the limit frequency and EOS symmetry parameters, to find model-independent new constraints for EOS microscopic parameters, to contribute new EOSs that meets the new observations from gravitational wave, pulsar mass measurements, and moment of inertia, and to promote the understanding of compact objects like pulsars.

中子星（NS）结构和状态方程（EOS）是当前多信使天文学时代重要的交叉前沿课题。在本项目中，我们将引力波、伽玛暴、脉冲星、X射线双星等天文观测与地面核结构和反应及重离子实验结合，通过相对论星体结构和核多体理论模型的数值计算，寻求极限频率与EOS对称能参数的直接关联，限制r模饱和幅度，得到EOS微观参数模型无关的新限制，提供满足符合引力波观测、脉冲星质量测量、转动惯量观测等的新EOS，促进人们对脉冲星类天体的认识。

本项目将致密天体多信使观测与地面核实验结合，在以下三个方面取得新进展：（1）详细探讨了从核力到夸克、超子等奇异性粒子再到暗物质的基本性质，系统研究中子/质子的有效质量随温度和质子分数的变化，提出从夸克层次研究中子星性质的新QMFB模型，对超子-核子相互作用进行贝叶斯推断，推动了对中子星中的“超子疑难”问题的理解；首次提出通过比较暗物质和普通物质的中心焓来区分暗物质晕和暗物质核两种构型的方法；系统研究了中子星、夸克星、混合星中致密物质的声速和绝热指数的性质，相关结果为深入认识中子星状态方程（EOS）及中子星宏观性质奠定基础，相关研究成果获得广泛关注并受邀为撰写EOS中文综述；（2）对EOS、中子星结构与r模饱和幅度给出了相关限制，对混杂星和夸克星状态方程给出的限制；提出区分夸克星和中子星/混杂星的方法；基于中子星的天文观测来检验重子物质的真正基态，并且对夸克物态进行限制；得到中子星（混杂星）最大质量；限制中子星中的夸克退禁闭相变；给出GW190814的2.6倍太阳质量神秘天体是一颗超大质量、超快转脉冲星的可能限制条件；讨论了EOS及壳层对普通奇异星和色味锁定相奇异星的r-模不稳定性窗口的影响，为详细理解相关观测现象提供了新思路；（3）探讨了EOS及中子星结构对脉冲星类致密天体观测性质的影响，在脉冲星周期跃变、长期演化及磁化致密双星的潮汐形变与引力波相演化等方面取得新进展，获得广泛关注并撰写中子星理论和应用的英文综述，并对相关观测给出了基于我们理论模型的预言。项目相关研究工作既注重实测数据及现象，又重视新理论模型的提出，将两者构成一个有机的整体，以推进我们对EOS及致密星本质的认识。研究工作对进一步理解基本的强相互作用、解释和发掘与致密星相关的实测数据，都有着重要的科学意义。