基于最新天文观测的含暗物质中子星的理论研究

Human “sees” a binary neutron star merger for the first time through gravitational wave event GW170817 in 2017, which has profound significance to astronomy, astrophysics, particle physics and nuclear physics. This event indeed provides a good changce to investigate neutron stars admixed with dark matter (DM), because binary neutron star maybe contains lots of dark matter. On the one hand, we investigate the impacts of fermionic dark matter on the neutron star structure, some observed quantities and the cooling of the star, on the other hand, we restrict the nature of DM by lated rich and accurate observed data here. Relativistic mean field theory, two-fluid TOV equations and some related cooling theories in weak interaction are adopted. When fermionic dark matter are mixed with various kinds of ordinary neutron star matter (such as conventional neutron star matter, hyperonic matter and anti-kaon condensations), by complicated calculation and analysis, we can investigate influences of the mass of DM candidates and interactions among DM candidates on neutron star structure, properties of neutrino emission, neutrino luminosity, cooling curves and so on in detail. Moreover, to obtain a clear understanding of DM, we will restrict some properties of DM, such as the mass of the DM particle and interactions among DM candidates, by comparing the theoretical results with the lated observational data of pulsars, such as the mass, the radius, the age, surface temperature, the red shift and so on.

2017年，通过引力波事件GW170817人类第一次“看到”中子星双星的相互绕转和并合，这将在天文学、天体物理学、粒子物理学、核物理学等领域引起深远影响。而中子星双星中可能含有大量暗物质，这次引力波事件为研究暗物质混杂中子星提供了研究契机。本课题一方面探讨费米子暗物质对中子星结构、部分可观测量以及星体冷却性质的影响，另一方面也将通过中子星日益丰富且精准的观测数据对暗物质的性质进行限定。我们拟采用相对论平均场理论、二流TOV方程和相关弱作用冷却理论等进行推导计算。本课题将详细给出暗物质与常规中子星物质（传统中子星物质、超子物质、反K介子凝聚）共存时，暗物质粒子的质量、自相互作用等因素对中子星的结构、中微子辐射性质、中微子发光度、星体冷却曲线等的影响。把理论结果与星体质量、半径、年龄、表面温度、红移值等最新观测数据进行比较，以此来更为严格地限定暗物质的粒子质量、自相互作用等性质。

随着观测设备和技术的不断进步，人类对于中子星的天文观测数据已日趋丰富。本项目基于最新的天文观测，通过相对论平均场理论和中子星冷却理论等对含有费米子暗物质的中子星进行了较为详细地理论研究。我们研究了暗物质与多种常规中子星物质（传统中子星物质、反K介子凝聚、超子物质）共存时，中子星的结构、转动惯量、红移值、星体内部中微子辐射特性、中微子发光度、星体冷却曲线等情况。同时也通过中子星的星体质量、半径、转动惯量、红移、年龄、表面温度等最新观测数据与理论结果的对比，对暗物质的性质进行了进一步的限定。. 我们的研究主要基于三个方面。第一，传统中子星中的暗物质。在传统中子星物质中，若暗物质粒子之间为弱相互作用，暗物质的质量范围应在0.2-1.2GeV之间；若为强相互作用，暗物质的质量范围应在0.6-2.2GeV之间。第二，加入反K介子凝聚之后的暗物质。暗物质粒子质量越大，越有利于反K凝聚的出现。暗物质间的相互作用为弱作用时，暗物质促进反K凝聚的出现，同时，反K凝聚也使得暗物质混杂中子星的最大质量大幅下降。相反，强作用对反K凝聚的促进作用较为微弱。结合脉冲星J0307-3039A的质量和转动惯量两方面的观测限制，我们发现暗物质质量为0.57-0.59GeV，且K介子光学势为-130MeV时，暗物质和反K凝聚可同时存在于该星体内部。暗物质可以提高中等质量中子星的冷却速度，却阻碍超低质量中子星冷却的脚步。第三，超子（考虑了所有的重子八重态）星中的暗物质。超子降低了（暗物质混杂）中子星的最大质量，这种压低效应十分显著，而对应星体的半径也明显减小。与脉冲星J0348+0432的观测数据进行比对，发现传统中子星物质和超子物质均可以在J0348+0432内部出现，但是暗物质、或者暗物质与超子的共存态则无法存在。以上的研究有利于有效地利用中子星的观测数据对暗物质的粒子质量、自相互作用等性质进行更为严格的限定；有利于填补目前暗物质对中子星冷却效应影响方面的研究空白，使得人们更为全面地了解含暗物质中子星，更精准地掌握其热演化规律。