Equation of state of nuclear matter with applications to rapid rotating neutron stars

Abstract

Neutron stars manifest one of the Universe's densest objects, where matter is compressed at high densities, and nuclear physics combines with general relativity. The dense nuclear matter is described by the yet unknown equation of state, simulating the fluid interior, where its combination with the Tolman-Oppenheimer-Volkoff equations provides the neutron star structure. Although cold non-rotating neutron stars are a valuable source of constraints, temperature, and high rotational frequencies will significantly improve and extend our knowledge. In particular, the research is focused on the construction of both cold and hot, lepton-rich matter equations of state and their implications on macroscopic as well as microscopic quantities of neutron stars. Specifically, universal relations are produced for each representative case, and a criterion for the final fate of compact objects is extracted. Furthermore, the research is extended to proto-neutron stars and the hot and rapidly rotating remnant of a binary neutron star merger as insightful tools to provide constraints from the aspect of thermal and rotation effects. The former is directly related to neutron stars' internal structure and stability. Finally, the theoretical study of uniformly rotating neutron stars containing either cold or hot matter, and the observation of isolated or binary neutron stars, along with the present research, will shed light and provide constraints on the equation of state of dense nuclear matter.

Οι αστέρες νετρονίων αποτελούν ένα από τα πιο πυκνά αντικείμενα του Σύμπαντος, όπου η πυρηνική φυσική συνδυάζεται με τη γενική θεωρία της σχετικότητας. Η πυκνή πυρηνική ύλη περιγράφεται από την άγνωστη ακόμη καταστατική εξίσωση, η οποία αναπαριστά την ύλη στο εσωτερικό του αστέρα και ο συνδυασμός της με τις εξισώσεις Tolman-Oppenheimer-Volkoff παρέχει τη δομή του αστέρα νετρονίων. Αν και οι ψυχροί μη περιστρεφόμενοι αστέρες νετρονίων είναι μια χρήσιμη πηγή περιορισμών, η θερμοκρασία και οι υψηλές περιστροφικές συχνότητες βελτιώνουν σημαντικά και επεκτείνουν το επίπεδο της γνώσης μας. Ειδικότερα, η έρευνα επικεντρώνεται στην κατασκευή τόσο ψυχρών όσο και θερμών, πλούσιων σε λεπτονική ύλη καταστατικών εξισώσεων και τις επιπτώσεις τους στα μακροσκοπικά και μικροσκοπικά μεγέθη που περιγράφουν τους αστέρες νετρονίων. Συγκεκριμένα, παράγονται καθολικές σχέσεις για κάθε αντιπροσωπευτική περίπτωση και εξάγεται ένα κριτήριο για το τελικό στάδιο των συμπαγών αντικειμένων. Επιπλέον, η έρευνα επεκτείνεται στους πρωταστέρες και στο θερμό και ταχέως περιστρεφόμενο υπόλειμμα μιας συγχώνευσης ενός δυαδικού συστήματος αστέρων νετρονίων, μια και αποτελούν ιδιαίτερα χρήσιμα μέσα για να εξάγουμε περιορισμούς με βάση την θερμοκρασία και την περιστροφή. Το προαναφερθέν σχετίζεται άμεσα με την εσωτερική δομή και τη σταθερότητα των αστέρων νετρονίων. Τέλος, η θεωρητική μελέτη ομοιόμορφα περιστρεφόμενων αστέρων νετρονίων, που περιέχουν είτε ψυχρή είτε θερμή ύλη, και η παρατήρηση μεμονωμένων ή δυαδικών αστέρων νετρονίων, μαζί με την παρούσα έρευνα ρίχνουν φως και παρέχουν περιορισμούς στην καταστατική εξίσωση της πυκνής πυρηνικής ύλης.