[論文レビュー] A new quark-hadron hybrid equation of state for astrophysics - I. High-mass twin compact stars

Sanjin Benić, D. Blaschke+3 more|Repository of the Faculty of Science, University of Zagreb|Nov 11, 2014

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 58被引用数 19

ひとこと要約

本論文は、バリオン相における除外体積効果と高次反発的クォーク相互作用を組み込んだ新しいクォーク-バリオンハイブリッド状態方程式（EoS）を提示する。これにより、大きな潜熱を伴う強い一次相転移が可能となり、質量が2 M⊙に達する高質量ツイン星を含む非連結な第三の星族が形成される。この現象により、同じ質量（約2 M⊙）の星が半径で最大1 kmの差を示すことが可能となり、一次相転移の特徴的な観測的兆候を提供する。

ABSTRACT

Aims: We present a new microscopic hadron-quark hybrid equation of state model for astrophysical applications, from which compact hybrid star configurations are constructed. These are composed of a quark core and a hadronic shell with a first-order phase transition at their interface. The resulting mass-radius relations are in accordance with the latest astrophysical constraints. Methods: The quark matter description is based on a quantum chromodynamics (QCD) motivated chiral approach with higher-order quark interactions in the Dirac scalar and vector coupling channels. For hadronic matter we select a relativistic mean-field equation of state with density-dependent couplings. Since the nucleons are treated in the quasi-particle framework, an excluded volume correction has been included for the nuclear equation of state at suprasaturation density which takes into account the finite size of the nucleons. Results: These novel aspects, excluded volume in the hadronic phase and the higher-order repulsive interactions in the quark phase, lead to a strong first-order phase transition with large latent heat, i.e. the energy-density jump at the phase transition, which fulfils a criterion for a disconnected third-family branch of compact stars in the mass-radius relationship. These twin stars appear at high masses ($\sim$ 2 M$_\odot$) that are relevant for current observations of high-mass pulsars. Conclusions: This analysis offers a unique possibility by radius observations of compact stars to probe the QCD phase diagram at zero temperature and large chemical potential and even to support the existence of a critical point in the QCD phase diagram.

研究の動機と目的

• 2 M⊙に達する質量まで安定したコンパクト星構成を支持する、微視的かつQCDに由来するハイブリッド状態方程式の構築。
• マスカレード問題に対処するため、クォーク-バリオンハイブリッド星と中性子星を区別できる一次相転移を保証すること。
• バリオン相における除外体積効果とクォーク相における高次反発的相互作用を組み込むことで、十分な潜熱を生成し、非連結な第三の星族を形成すること。
• 高質量パulsarと標準星の半径（約14–17 km）を含む、現在の天体物理学的制約と整合する質量-半径関係の生成。
• テスト可能な予測の提供：同一質量だが顕著に異なる半径を示す高質量ツイン星であり、将来的なX線ミッションによる観測が可能である。

提案手法

• クォーク物質を記述するため、スカラーおよびベクトルチャンネルにおける高次自己相互作用を含む、チャーミカルクォークメソンモデルを用いる。これにより高密度領域での反発的相互作用が強化される。
• バリオン物質を記述するため、密度に依存する結合定数を有する相対論的平均場EoSを用い、超飽和密度領域におけるヌクレオンの有限サイズを反映するため、除外体積補正を加える。
• ハイブリッドEoSから星の構造と質量-半径関係を計算するために、Tolman-Oppenheimer-Volkoff（TOV）方程式を適用する。
• 高次クォーク相互作用の強さを変化させることで、異なる相転移特性とそれらがコンパクト星系列に与える影響を調査する。
• 全相において音速が物理的範囲内に保たれることを確認することで、因果性と安定性を確保する。
• 高質量パルサー（例：PSR J0348+0432）と標準星（M ≈ 1.7 M⊙）の観測的制約とEoSを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高密度物質における一次的クォーク-バリオン相転移が、高質量（約2 M⊙）でさえも非連結な第三の星族を形成できるか？
• RQ2 バリオン相における除外体積効果とクォーク相における高次反発的相互作用の組み込みが、そのような第三の星族を安定化させるのに十分な潜熱を生成するか？
• RQ3 得られた質量-半径関係は、現在の天体物理学的観測（高質量パルサーと標準中性子星の半径）と整合的か？
• RQ4 同一質量だが異なる半径を示すツイン星現象は高質量領域でも観測可能であり、その観測的兆候は何か？
• RQ5 将来的なX線ミッション（例：NICER、SKA、NUSTAR）はツイン星現象を解明可能か？また、QCD相図にはどのような意味を持つのか？

主な発見

• バリオン相における除外体積効果の組み込みにより、中程度質量の中性子星の半径が大きくなり、観測的制約との整合性が向上する。
• ハイブリッドEoSは、大きな潜熱を伴う強い一次相転移を生成し、非連結な第三の星族の形成を可能にする。
• 小さなクォークコアを有する安定したハイブリッド星が出現し、その後不安定な分岐が現れ、強い高次クォーク反発相互作用のおかげで再び安定化する。
• すべての構成が因果性を満たし、安定したハイブリッド分岐の最大質量は2 M⊙を超える。これは観測された高質量パルサーと整合的である。
• 質量が約2 M⊙の高質量ツイン星は、最大で約1 kmの半径差を示すことができ、特徴的な観測的兆候を提供する。
• このモデルは、ゼロ温度かつ大きなバリオン密度におけるQCD相図を探索する有効な道筋を提供し、臨界点の存在を支持する可能性を秘めている。