中子星结构及其振动模式研究

Both the nuclear theory and the terrestrial laboratory data prefer soft equation of state (EOS) of the asymmetric dense nuclear matters, and the appearance of hyperons, kaon condensates or the hybrid of hadron and quark phases can also soften the EOS. But based on the classical theory, a soft EOS cannot support the observed massive neutron stars. This project will focus on this puzzle, that is, trying to find the mechanism for massive neutron star supported by a soft EOS, and trying to further investigate the constraint on the cosmological constant by using the observations of neutron stars. Meanwhile, more and more research interesting is focused on the oscillation modes of neutron star, especially on the r-modes because of the observation of the massive neutron stars, the constraint of the terrestrial heavy-ion reactions on the EOS of the asymmetric nuclear matters at the sub-saturated density, and the observations of the thermal radiation of neutron stars. In order to understand the oscillation modes more deeply and more integrally, the stability, the gravitational radiations and the involutions of neutron star oscillation modes will be studied in this project by using the constraint EOSs and the nearest observations.

理论和地面重离子碰撞实验等支持高密度非对称核物质具有较软的物态方程，奇异态、介子凝聚态甚至是包含强子和解禁夸克态的混合态等物态的出现也会使物态方程软化。在传统理论下软物态方程是无法支持天文观测中发现的大质量中子星的。本项目将研究广义相对论框架下软物态方程对中子星观测性质的支持；同时也期望据此来探索中子星的观测性质对宇宙学常数项的约束。同时，大质量中子星的观测发现、地面重离子碰撞试验对低密度区域非对称核物质物态的约束、对中子星热辐射的观测等一系列与中子星有关的新发现和理论认识新进展掀开了新一轮关于中子星振动模式，特别是关于r-mode研究的热潮。结合最新的观测发现，同时也为了更深入、更完整地认识中子星各种振动模式，在本项目中我们将采用受地面最新重离子碰撞试验约束的物态方程来研究不同振动模式的稳定性、引力辐射、对中子星演化的影响等。

（1）随着2010年和2013两颗大质量中子星（PSR J1614-2230与PSR J0348+0432）的观测发现，探索支持大质量致密天体的物理机制便成为天体物理的一个研究热点。而另一方面，理论和地面重离子碰撞实验等支持高密度非对称核物质具有较软的物态方程，奇异态、介子凝聚态甚至是包含强子和解禁夸克态的混合态等物态的出现也会使物态方程软化。而在经典引力理论框架下软物态方程是无法支持大质量中子星的。因此，新的观测发现导致了地面实验支持下的核物质物态的理论与天文观测不自洽的矛盾。与此同时，另一致密天体——白矮星也观测发现了可能出现超过钱德拉塞卡质量极限的大质量情形（超过2倍太阳质量）。在这些大质量致密天体中可能蕴含着共同的物理机制来支持其大质量的存在。本项目研究发现以下两种物理机制可以同时支持大质量的中子星和白矮星：(a)基于广义相对论的新引力理论(EIBI)；(b)带有一定量的净电荷。（2）重离子碰撞实验提供了研究高密度核物质物态方程的有效途径，其中对称能是决定高密度核物质物态方程的关键参数。.我们通过BUU输运模型模拟重离子碰撞实验研究了对称能的高密行为。发现正负pion介子之比在1.25倍饱和核密度附近敏感，而中子质子比在1.5倍饱和核密度附近敏感。（3）引力波的观测发现也激起了引力辐射理论研究的热潮。中子星振动模式能提供可观测的连续辐射引力波源，近年受到了特别的关注，LIGO也进行了试探性观测。我们分别研究了对称能斜率对中子星f-mode的影响；非牛顿引力与对称能斜率对w-mode的影响；以及非牛顿引力对r-mode不稳定窗口的影响。研究发现对称能将对振动的引力辐射频率和振动衰减产生十分显著的影响；给出了w-mode、f-mode新的物态方程不依赖关系（普适性）。