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In this work, we discuss the dense matter equation of state (EOS) for the extreme range of conditions encountered in neutron stars and their mergers. The calculation of the properties of such an EOS involves modeling different degrees of freedom (such as nuclei, nucleons, hyperons, and quarks), taking into account different symmetries, and including finite density and temperature effects in a thermodynamically consistent manner. We begin by addressing subnuclear matter consisting of nucleons and a small admixture of light nuclei in the context of the excluded volume approach. We then turn our attention to supranuclear homogeneous matter as described by the Chiral Mean Field (CMF) formalism. Finally, we present results from realistic neutron-star-merger simulations performed using the CMF model that predict signatures for deconfinement to quark matter in gravitational wave signals.
Es wurde in dieser Arbeit gezeigt, daß es möglich ist, die der Spin-Eichtheorie zugrundeliegende Lagrangedichte so zu verallgemeinern, daß die aus ihr folgende Higgsfeldgleichung eine gravitationsähnliche Wechselwirkung enthält. Der symmetrische Teil des kanonische Energie-Impulstensors des Higgsfeldes tritt als Quelle der symmetrischen Bewegungsgleichung der angeregten Higgsfelder in Erscheinung. Ein Vergleich der zweiten Ordnung des symmetrischen Teils der Higgsfeldgleichung mit der zweiten Ordnung der Einsteingleichung im materiefreien Fall zeigt, daß beide bis auf einen antisymmetrischen Divergenzterm A m n a a der den Energie Impuls-Erhaltungssatz nicht beeinflußt, übereinstimmen. Geht man wegen der Nichtlokalität des EIST's des Gravitationsfeldes, auf der Seite der klassischen Beschreibung zu einem grobkörnigen EIST über, so stimmt dieser mit dem EIST des Higgsfeldes überein. Sieht man von in kleinen Raumzeitvolumen stark uktuierenden Termen ab, so sind die Differentialgleichungen von Gravitations und Higgsfeldwellen bis zur zweiten Ordnung identisch. Betrachtet man eine Raumzeit mit fermionischer Materie, so stimmt die erste Ordnung der Feldgleichungen ebenfalls überein. Die Higgsfeldgleichung in zweiter Ordnung koppelt halb so stark an die fermionische Materie wie es die klassische Gleichung in zweiter Ordnung tut, was auf zusätzliche Spinanteile der Higgsfelder zurückzuführen ist. Die Arbeit hat damit gezeigt, daß die durch das Higgsfeld vermittelte Kraft die Eigenschaften einer gravitativen Wechselwirkung besitzt. Daraus ergibt sich, daß nun folgende Punkte interessant sind: 1) Die in dieser Arbeit nicht betrachteten antisymmetrischen Anteile der Higgsfeldgleichung sollten auf ihre physikalische Relevanz untersucht werden, um eventuell entstehende Torsions und Nichtmetrizitätsanteile aufzuzeigen. 2) Die durch den Divergenzterm auftretenden Unterschiede der zweiten Ordnung der Spin-Eichtheorie mit der klassischen Theorie sollten genauer untersucht werden, um mögliche meßbare Unterschiede offen zu legen und die Interpretation des A m n a a-terms zu klären 3) Die in der Spin-Eichtheorie mögliche mikroskopische Betrachtungsweise sollte man quantentheoretisch formulieren und alle der Spin-Eichtheorie eigenen Felder quantisieren. 4) Der in dieser Arbeit betrachtete Iso-skalare Fall sollte Iso-vektoriell verallgemeinert werden, um so eine Vereinheitlichung mit den anderen drei Wechselwirkungen zu ermöglichen
Kompakte Sterne stellen neben weissen Zwergen und schwarzen Löchern eine der möglichen Endzustände der Evolution von Sonnen dar. Diese extrem dichten astrophysikalischen Objekte können als Restobjekte von massiven Sternen im Zentrum von Supernova-Explosionen entstehen. Allein in unserer Galaxie sind derzeit ca. 1500 solcher Objekte bekannt. Die Materie innerhalb der kompakten Sterne stellt neben der frühen Urknall-Phase, die dichteste, uns zugängliche Energieform im gesamten Universum dar; sie beschreibt den letzten stabilen Zustand bevor die Materie unaufhaltsam kollabiert und durch die Bildung eines Ereignishorizontes von der Aussenwelt abgetrennt wird. Die Eigenschaften der kompakten Sterne werden massgeblich durch zwei fundamentale Kräfte bestimmt: Die Quanten-Chromodynamik (QCD), die den Kräfteaustausch der elementaren Quarks durch farbgeladene Gluonen beschreibt, und die Allgemeine Relativitätstheorie, die die attraktive, gravitative Wechselwirkung der Sterne durch eine Verformung ihrer raumzeitlichen Struktur formuliert. In den ersten beiden Kapiteln der vorliegenden Arbeit wird zunächst die derzeitige Theorie der elementaren Wechselwirkungen mittels einer eichtheoretischen Formulierung beschrieben. Astrophysikalische Folgerungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, wie die Raumzeitkrümmung innerhalb und ausserhalb kompakter Sterne und die Theorie schwarzer Löcher werden im Detail diskutiert und mittels dreidimensionaler Diagramme veranschaulicht. Im dritten Kapitel werden die numerisch erhaltenen Resultate der Eigenschaften der kompakten Sterne zusammengefasst und in folgende Gruppen untergliedert: Neutronensterne, Quarksterne, hybride Sterne und Zwillingssterne. Die mögliche Realisierung des Quark-Gluon-Plasmas im Inneren der kompakten Sterne wird diskutiert. Anhand von existierenden und zukünftig geplanten astrophysikalischen Beobachtungsmöglichkeiten (z.B. Gravitationswellendetektoren) wird die experimentelle Überprüfbarkeit der dargestellten Ergebnisse aufgezeigt.
Die Quantenspieltheorie stellt eine mathematische und konzeptuelle Erweiterung der klassischen Spieltheorie dar. Der Raum aller denkbaren Entscheidungswege der Spieler wird vom rein reellen, messbaren Raum in den Raum der komplexen Zahlen (reelle und imaginäre Zahlen) ausgedehnt. Durch das Konzept der möglichen quantentheoretischen Verschränkung der Entscheidungswege im imaginären Raum aller denkbaren Quantenstrategien können gemeinsame, durch kulturelle oder moralische Normen entstandene Denkrichtungen mit einbezogen werden. Ist die Strategienverschränkung der Spieler im imaginären Raum der denkbaren Entscheidungswege nur genügend groß, so können zusätzliche Nash-Gleichgewichte auftreten und zuvor existente dominante Strategien sich auflösen. Die der evolutionären Entwicklung zugrundeliegende Replikatordynamik besitzt in der evolutionären Quantenspieltheorie eine komplexere Struktur und die jeweiligen evolutionär stabilen Strategien können sich, abhängig vom Maß der Verschränkung, abändern. Neben einer detaillierten Darstellung der evolutionären Quantenspieltheorie werden in dieser Dissertation mehrere Anwendungsbeispiele besprochen. So wird durch eine quantentheoretische Erweiterung die aktuelle Finanzkrise mittels eines Anti-Koordinationsspiels beleuchtet, das unterschiedliche Publikationsverhalten von Wissenschaftlern erklärt und erste Ansätze einer experimentellen Bestätigung der Theorie dargestellt.
The long-awaited detection of a gravitational wave from the merger of a binary neutron star in August 2017 (GW170817) marks the beginning of the new field of multi-messenger gravitational wave astronomy. By exploiting the extracted tidal deformations of the two neutron stars from the late inspiral phase of GW170817, it is now possible to constrain several global properties of the equation of state of neutron star matter. However, the most interesting part of the high density and temperature regime of the equation of state is solely imprinted in the post-merger gravitational wave emission from the remnant hypermassive/supramassive neutron star. This regime was not observed in GW170817, but will possibly be detected in forthcoming events within the current observing run of the LIGO/VIRGO collaboration. Numerous numerical-relativity simulations of merging neutron star binaries have been performed during the last decades, and the emitted gravitational wave profiles and the interior structure of the generated remnants have been analysed in detail. The consequences of a potential appearance of a hadron-quark phase transition in the interior region of the produced hypermassive neutron star and the evolution of its underlying matter in the phase diagram of quantum cromo dynamics will be in the focus of this article. It will be shown that the different density/temperature regions of the equation of state can be severely constrained by a measurement of the spectral properties of the emitted post-merger gravitational wave signal from a future binary compact star merger event.
We investigate the properties of charge neutral equilibrium cold quark matter within the Nambu Jona-Lasinio model. The calculations are carried out for di erent ratios of coupling constants characterizing the vector and scalar 4 fermion interaction, xi = GV /GS. It is shown that for xi < 0.4 matter is self bound and for xi < 0.65 it has a first order phase transition of the liquid gas type. The Gibbs conditions in the mixed phase are applied for the case of two chemical potentials associated with the baryon number and electric charge. The characteristics of the quark stars are calculated for xi = 0, 0.5 and 1. It is found that the phase transition leads to a strong density variation at the surface of these stars. For xi = 1 the properties of quark stars show behaviors typical for neutron stars. At >< 0.4 the stars near to the maximum mass have a large admixture of strange quarks in their interiors. PACS number: 14.65.-q, 26.60.+c, 97.10.-q
Gravitational waves, electromagnetic radiation, and the emission of high energy particles probe the phase structure of the equation of state of dense matter produced at the crossroad of the closely related relativistic collisions of heavy ions and of binary neutron stars mergers. 3 + 1 dimensional special- and general relativistic hydrodynamic simulation studies reveal a unique window of opportunity to observe phase transitions in compressed baryon matter by laboratory based experiments and by astrophysical multimessenger observations. The astrophysical consequences of a hadron-quark phase transition in the interior of a compact star will be focused within this article. Especially with a future detection of the post-merger gravitational wave emission emanated from a binary neutron star merger event, it would be possible to explore the phase structure of quantum chromodynamics. The astrophysical observables of a hadron-quark phase transition in a single compact star system and binary hybrid star merger scenario will be summarized within this article. The FAIR facility at GSI Helmholtzzentrum allows one to study the universe in the laboratory, and several astrophysical signatures of the quark-gluon plasma have been found in relativistic collisions of heavy ions and will be explored in future experiments.
The long-awaited detection of a gravitational wave from the merger of a binary neutron star in August 2017 (GW170817) marked the beginning of the new field of multi-messenger gravitational wave astronomy. By exploiting the extracted tidal deformations of the two neutron stars from the late inspiral phase of GW170817, it was possible to constrain several global properties of the equation of state of neutron star matter. By means of fully general-relativistic hydrodynamic simulations, it is possible to get an insight into the hydrodynamic evolution of matter and into the structure of the space–time deformation caused by the remnant of binary neutron star merger. Neutron star mergers represent an optimal astrophysical laboratory to investigate the phase transition from confined hadronic matter to deconfined quark matter. With future gravitational wave detectors, it will most likely be possible in the near future to investigate the hadron-quark phase transition by analyzing the spectrum of the post-merger gravitational wave of the differentially rotating hypermassive hybrid star. In contrast to hypermassive neutron stars, these highly differentially rotating objects contain deconfined strange quark matter in their slowly rotating inner region.
Hypermassive hybrid stars (HMHS) are extreme astrophysical objects that could be produced in the merger of a binary system of compact stars. In contrast to their purely hadronic counterparts, hypermassive neutron stars (HMNS), these highly differentially rotating objects contain deconfined strange quark matter in their slowly rotating inner region. HMHS and HMNS are both mestastable configurations and can survive only shortly after the merger before collapsing to rotating black holes. The appearance of the phase transition from hadronic to quark matter in the interior region of the HMHS and its conjunction with the emitted GW will be addressed in this article by focussing on a specific case study of the delayed phase-transition scenario that takes place during the post-merger evolution of the remnant. The complicated dynamics of the collapse from the HMNS to the more compact HMHS will be analysed in detail. In particular, we will show that the interplay between the spatial density/temperature distributions and the rotational profiles in the interior of the wobbling HMHS after the collapse generates a high-temperature shell within the hadron-quark mixed phase region of the remnant.
n this article we will focus on the appearance of the hadron-quark phase transition and the formation of strange matter in the interior region of the hypermassive neutron star and its conjunction with the spectral properties of the emitted gravitational waves (GWs). A strong hadron-quark phase transition might give rise to a mass-radius relation with a twin star shape and we will show in this article that a twin star collapse followed by a twin star oscillation is feasible. If such a twin star collapse would happen during the postmerger phase it will be imprinted in the GW-signal.