Die Interpretation hochenergetischer astrophysikalischer Phänomene wie Supernovaexplosionen oder Neutronensternkollisionen erfordert ein umfassendes Verständnis der Materie bei supranuklearen Dichten. Unser Wissen über dichte Materie, die in den Kernen von Neutronensternen zu finden ist, bleibt jedoch begrenzt. Gravitationswellenbeobachtungen von Neutronensternverschmelzungen wie GW170817 sowie Messungen der Radien von Neutronensternen im Rahmen der NICER-Mission der NASA liefern neue Hinweise für die Zustandsgleichung von Neutronensternmaterie. In den letzten Jahren wurden viele Bestrebungen unternommen, Parametrisierungen der Zustandsgleichung auf der Grundlage von mikroskopischen Berechnungen reiner Neutronenmaterie zu erstellen. Solche Berechnungen sind jedoch nur bis etwa zur Kernsaturierungsdichte verfügbar, so dass Extrapolationen zu höheren Dichten vorgenommen werden müssen. Im Vergleich zu kalten isolierten Neutronensternen weisen Kernkollaps-Supernovae und Neutronensternverschmelzungen einen viel größeren Bereich von Temperatur und Elektronenanteil auf. Die in astrophysikalischen Anwendungen üblicherweise verwendeten Zustandsgleichungen stimmen oft nicht mit mikroskopischen Berechnungen und aktuellen Beobachtungen überein. Die Konstruktion neuer Parametrisierungen von Zustandsgleichungen, die mit den neuesten Erkenntnissen der Kernphysik und astrophysikalischen Beobachtungen übereinstimmen, wird wichtige Fortschritte in der nuklearen Astrophysik ermöglichen.

Wir stellen neue Zustandsgleichungen für Anwendungen in Simulationen von Kernkollaps-Supernovae und Neutronensternverschmelzungen vor. Wir beginnen mit der Einführung einer Parametrisierung der effektiven Masse, die auf aktuellen mikroskopischen Berechnungen basiert. Dies ist wichtig, um die vorhergesagten thermischen Effekte zu erfassen, von denen gezeigt wurde, dass sie die Kontraktion des Proto-Neutronensterns in Supernova-Simulationen steuern. Der Parameterbereich des der Zustandsgleichung zugrundeliegenden Energiedichtefunktionals wird durch Ergebnisse der chiralen effektiven Feldtheorie bei Kerndichten sowie durch funktionale Renormierungsgruppenberechnungen bei hohen Dichten auf der Grundlage der Quantenchromodynamik bestimmt. Darüber hinaus werden Beobachtungen von schweren Neutronensternen, das Gravitationswellensignal von GW170817 und die ersten NICER-Ergebnisse berücksichtigt. Schließlich untersuchen wir die sich daraus ergebenden zulässigen Bereiche für die Zustandsgleichung und die Eigenschaften von Neutronensternen, einschließlich der vorhergesagten Grenzen für den Neutronensternradius und die maximale Masse. Aus diesem Zustandsgleichungsfunktional wählen wir eine Reihe repräsentativer Zustandsgleichungen aus, um die Auswirkungen der effektiven Masse der Nukleonen und der Kernmaterieeigenschaften in Kernkollaps-Supernova-Simulationen systematisch zu untersuchen. Zu diesem Zweck können Zustandsgleichungstabellen unter Verwendung des Flüssigkeitstropfenmodells mit einer Ein-Kern-Näherung berechnet werden, die einen breiten Bereich von Dichten, Temperaturen und Elektronenanteilen abdecken, wie sie für astrophysikalische Simulationen benötigt werden.

Wir verwenden zusätzlich Bayes'sche Verfahren, um Daten aus astrophysikalischen Multi-Messenger-Beobachtungen von Neutronensternen und aus Schwerionenkollisionen von Goldkernen bei relativistischen Energien mit mikroskopischen Kerntheorieberechnungen zu kombinieren, um unser Verständnis von dichter Materie zu verbessern. Wir finden heraus, dass die Einbeziehung von Schwerionenkollisionsdaten auf eine Erhöhung des Drucks in dichter Materie im Vergleich zu früheren Analysen hinweist, wodurch sich die Radien von Neutronensternen zu größeren Werten hin verschieben, was mit den jüngsten Beobachtungen der NICER-Mission übereinstimmt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Ergebnisse von Schwerionen-Kollisionsexperimenten eine bemerkenswerte Übereinstimmung mit Multi-Messenger-Beobachtungen aufweisen und ergänzende Informationen über Kernmaterie bei mittleren Dichten liefern. Diese Arbeit kombiniert Kerntheorie, Kernexperimente und astrophysikalische Beobachtungen und zeigt, wie gemeinsame Analysen Einblicke in die Eigenschaften neutronenreicher supranuklearer Materie über den in Neutronensternen untersuchten Dichtebereich geben können.