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Hot and Dense Matter in Compact Stars - From Nuclei to Quarks

Hempel, Matthias

German Title: Heiße und Dichte Materie in Kompakten Sternen - Von Kernen zu Quarks

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Abstract

This dissertation deals with the equation of state of hot and dense matter in compact stars, with special focus on first order phase transitions. A general classification of first order phase transitions is given and the properties of mixed phases are discussed. Aspects of nucleation and the role of local constraints are investigated. The derived theoretical concepts are applied to matter in neutron stars and supernovae, in the hadron-quark and the liquid-gas phase transition. For the detailed description of the liquid-gas phase transition a new nuclear statistical equilibrium model is developed. It is based on a thermodynamic consistent implementation of relativistic mean-field interactions and excluded volume effects. With this model different equation of state tables are calculated and the composition and thermodynamic properties of supernova matter are analyzed. As a first application numerical simulations of core-collapse supernovae are presented. For the hadron-quark phase transition two possible scenarios are studied in more detail. First the appearance of a new mixed phase in a proto neutron star and the implications on its evolution. In the second scenario the consequences of the hadron-quark transition in core-collapse supernovae are investigated. Simulations show that the appearance of quark matter has clear observable signatures and can even lead to the generation of an explosion.

Translation of abstract (German)

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Zustandsgleichung heißer und dichter Materie in kompakten Sternen, mit besonderem Fokus auf Phasenübergängen erster Ordnung. Zunächst werden diese allgemein klassifiziert und die Eigenschaften von gemischten Phasen diskutiert. Anschließend werden Aspekte der Nukleation und die Rolle von lokalen Zwangsbedingungen untersucht. Die erarbeiteten theoretischen Konzepte werden auf Materie in Neutronensternen und Supernovae im Hadron-Quark- und flüssig-gas-Phasenübergang angewandt. Zur detaillierten Beschreibung des flüssig-gas-Phasenübergangs wird ein neues nukleares statistisches Gleichgewichtsmodell entwickelt. Dieses basiert auf einer thermodynamisch konsistenten Implementierung von relativistischen Mittel-Feld-Wechselwirkungen und Ausgeschlossenem-Volumen-Effekten. Mit diesem Modell werden verschiedene Zustandsgleichungs-Tabellen berechnet und die Zusammensetzung und thermodynamischen Eigenschaften von Supernova-Materie untersucht. Die Ergebnisse werden mit denen bestehender Modelle verglichen. Als erste Anwendung werden numerische Simulationen von Kernkollaps-Supernovae präsentiert. Für den Hadron-Quark-Phasenübergang werden zwei mögliche Szenarien detaillierter betrachtet. Zum einen das Auftreten einer neue gemischte Phase in einem Proto-Neutronenstern und die zugehörigen Auswirkungen auf dessen Entwicklung und Stabilität. Zum anderen werden die Konsequenzen des Hadron-Quark-Übergangs in Kernkollaps-Supernovae untersucht. Simulationen zeigen, dass das Auftreten von Quarkmaterie mit klaren beobachtbaren Signaturen verbunden ist und sogar zur Entwicklung einer Explosion führen kann.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Schaffner-Bielich, Prof. Dr. Jürgen
Date of thesis defense: 19 October 2010
Date Deposited: 28 Oct 2010 15:01
Date: 2010
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute for Theoretical Physics
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: Zustandsgleichung, Kernastrophysik, Phasenumwandlung, Quark-Gluon-Plasma, Kernmaterie, Supernova, Neutronenstern, Nukleosynthese
Uncontrolled Keywords: Equation of State , Phase Transition , Supernova , Neutron Star , Nuclear Astrophysics
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