Non-uniform structures in low-density nuclear matter and neutron star crust

低密度原子核物質中の非一様構造と中性子星クラスト

岡本 稔; 丸山 敏毅; 矢花 一浩*; 巽 敏隆*

Okamoto, Minoru; Maruyama, Toshiki; Yabana, Kazuhiro*; Tatsumi, Toshitaka*

中性子星クラストや超新星爆発の前段階の低密度原子核物質において、「原子核パスタ」と呼ばれる非一様構造が現れると示唆されている。多くの先行研究において、一様背景電子と「原子核パスタ」の結晶構造が仮定され、Wigner-Seitz(WS) cell近似も使われてきた。球状の「原子核パスタ」(droplet)において、体心立方(bcc)格子が、面心立方(fcc)格子や単純立方格子よりエネルギー的に安定であるとされてきた。これは同等のサイズのdropletをそれぞれの結晶格子に配置した場合のクーロンエネルギーを比較することによって決定された。より正確には、電子の非一様性とdropletの結晶格子に応じたサイズを考慮しなければならない。われわれは相対論的平均場理論とThomas-Fermi模型に基づいてベータ平衡下の低密度原子核物質に対して空間3次元の計算を行った。発表では、エネルギー的に最も安定な構造、WS cell近似を用いた場合との比較、dropletのfccとbccにおける差異などについて述べる。また、中性子星クラスト物質の弾性率に対するdropletの有限サイズ効果や結晶構造の影響についても言及する。

In low-density nuclear matter which is relevant to neutron star crust, non-uniform structures called "nuclear pasta" are expected. In most of the previous studies, the crystalline of "nuclear pasta" and uniform background electron are assumed and/or the Wigner-Seitz (WS) cell approximation is used. For matter with droplets, body-centered cubic (bcc) lattice is found to be more favored than face-centered cubic (fcc) and simple cubic. This conclusion has been obtained by comparing the Coulomb energy with a fixed size of droplets. To be more precise, we should take into account the effect of non-uniformity of electron and optimal sizes of the droplets. We perform numerical calculations of non-uniform nuclear matter based on the relativistic mean field theory and Thomas-Fermi model with fully three-dimensional geometry. The most stable structure and the equation of state of matter with and without WS cell approximation and the energy difference between fcc and bcc for droplet are compared.