天体环境中的非均匀物质状态方程研究

The equation of state plays an important role in supernova explosions, which occur at the end of the evolution of massive stars. The treatment of non-uniform matter at low densities is the key for the equation of state. The project intends to investigate the properties of non-uniform matter in stellar environments. We plan to extend the self-consistent Thomas-Fermi approximation to study the pasta phases presented in the inner crust of neutron stars with strong magnetic fields and in supernova matter at finite temperature. We explore the conditions for the appearance of pasta phases and their effects on the equation of state. By giving a reliable description of non-uniform matter, the equation of state can get several improvements. We study the properties of various nuclei within the framework of the nuclear statistical equilibrium approach, and investigate the medium modifications of nuclear properties in supernova matter. At high densities, the hadron-quark mixed phase is studied with the inclusion of surface and Coulomb energies. The finite-size effects on the hadron-quark mixed phase and neutron star .properties are examined with different symmetry energy and quark interactions.

核物质状态方程在大质量恒星演化后期的超新星爆发过程中起着至关重要的作用，低密度区非均匀物质相的处理是问题的关键。本项目拟针对天体环境中的非均匀物质相展开研究，发展自洽相对论Thomas-Fermi近似方法，研究强磁场环境下的中子星内壳Pasta相和有限温度超新星物质中的Pasta相，探讨各种Pasta相在超新星物质中出现的可能性及对状态方程的影响，完善适用于超新星爆发研究的相对论状态方程。在描述超新星物质的原子核统计平衡模型中，考虑各种处于统计平衡的原子核的性质受到环境温度等因素的影响，探讨在各种极端条件下原子核性质的变化规律，及其对超新星物质相图和热力学性质的影响。在高密度区研究强子-夸克混杂相的结构和性质，考虑两相界面的表面张力和两相之间的库仑相互作用等有效体积效应对强子-夸克混杂相的影响，研究由于核对称能的不确定性以及夸克相互作用的不确定性对强子-夸克混杂相及中子星整体性质的影响。

本项目是关于天体环境中的非均匀物质状态方程的研究。我们针对在超新星爆发和中子星壳层结构方面至关重要的非均匀物质相结构进行了全面的研究，发展了自洽描述非均匀相的方法。在原有工作基础上，改进了描述核物质相互作用的理论模型，构造得到了完整的适用于超新星爆发和双星并合等问题的核物质状态方程，同时比较研究了核物质对称能及其密度依赖性对状态方程的影响，进一步探讨了在超新星物质低密度区域中可能出现的Pasta相的结构性质及其对系统热力学性质的影响。基于同一理论模型，我们构造了中子星的自洽状态方程，同时研究了中子星壳层内的pasta相性质，分别讨论了壳层部分和核心部分对中子星整体性质的影响，进一步研究了核物质对称能对壳层结构以及中子星半径和潮汐形变等性质的影响。我们研究了强磁场环境下的中子星壳层结构，探讨了强磁场对壳层中的Pasta相性质的影响。关于高密度区的强子-夸克混杂相，我们采用能量最小化原理研究了强子-夸克混杂相的结构性质，讨论了两相之间表面张力对混杂相结构的影响，比较了包含有效尺度效应的不同方法之间的区别，探讨了夸克自由度的出现对中子星整体性质的影响。进一步研究了对称能对强子-夸克混杂相结构性质的影响。目前本项目已顺利完成。在本项目执行期间共发表学术论文24篇，其中属于SCI收录论文18篇。分别有2名博士研究生和2名硕士研究生顺利通过答辩毕业。