科研進展

利用多信使探針約束致密物質狀態方程取得重要進展

信息來源:陳列文研究組

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中子星的潮汐極化率下限及半徑的限制。

2015年,人類首次探測到了雙黑洞並合引力波信號GW150914,宣布了引力波天文學時代的到來。2017年人類又首次探測到了雙中子星並合引力波信號GW170817及其電磁對應體,從而開啓了多信使天文學時代。一般認爲中子星內部主要由致密核物質組成。核物質是指由中子和質子組成的無窮大均勻物質體系,其狀態方程是核物理和天體物理領域的一個基本問題,而核物質對稱能表征了由于中子和質子比份不同而引起的核物質狀態方程的變化。經過長期研究,人們對于中子和質子比份相等的對稱核物質的狀態方程已有比較清楚地認識,但對于核物質對稱能的了解還有很大的不確定性,尤其是在高密區域。由于中子星中心密度約爲重原子核中心密度的5-8倍,同時在中子星內部中子比份遠大于質子比份,所以中子星及其相關引力波信號爲研究高密核物質對稱能提供了天然的探針。

圖(左):重離子碰撞集體流約束、中子星最大質量Mmax>1.97 M、以及引力波信号要求1.4 M中子星潮汐極化率L1.4<580,得出對稱能曲率參數Ksym?(-175,-36)MeV, 核物质偏斜参数J0?(-464,-342)MeV,潮汐極化率L1.4>261;(右):依照左圖約束的參數,相應地給出了對稱能、對稱核物質、純中子物質及b穩定中子星核物質的壓強隨密度的變化。

该项工作发现2 M中子星的存在有效地排除了較軟的高密對稱能,而來自引力波信號GW170817的潮汐極化率限制則要求高密對稱能不能太硬,從而將對稱能約束在一個較小的範圍內。隨著引力波探測裝置的不斷升級,人們期待更多中子星相關的引力波信號將被探測到,這將對核物質狀態方程,尤其是高密核物質對稱能給出更加嚴格和精確的約束。

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