[論文レビュー] A very massive neutron star: relativistic Shapiro delay measurements of PSR J0740+6620

H. Thankful Cromartie, Emmanuel Fonseca+25 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 28被引用数 48

ひとこと要約

本研究では、NANOGrav 12.5年間のデータセットとグリーン・バンク・テレスコープの観測から得られたタイミングデータを用いて、相対論的シャピロ遅延を測定し、ミリ秒パルサー PSR J0740+6620 の質量を測定した。その結果、太陽質量の $2.17^{+0.11}_{-0.10}$ が得られ、これは現在観測された中で最も質量の大きな中性子星であり、超核密度物質の状態方程式に対する重要な制約を与える。

ABSTRACT

Despite its importance to our understanding of physics at supranuclear densities, the equation of state (EoS) of matter deep within neutron stars remains poorly understood. Millisecond pulsars (MSPs) are among the most useful astrophysical objects in the Universe for such tests of fundamental physics, and continue to place some of the most stringent constraints on this high-density EoS. Pulsar timing - the process of accounting for every rotation of a pulsar over long time periods - can precisely measure a wide variety of physical phenomena (see, for example, Lorimer & Kramer 2005), including those that allow the measurement of the masses of the components of a pulsar binary system. One of these, called relativistic Shapiro delay (Shapiro 1964), can yield precise masses for both an MSP and its companion; however, it is only easily observed in a small subset of highly inclined (nearly edge-on) binary pulsar systems. By combining data from the North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) 12.5-year data set with recent orbital-phase-specific observations using the Green Bank Telescope, we have measured the mass of the MSP J0740+6620 to be $2.17^{+0.11}_{-0.10}$ solar masses (68.3% credibility interval). It may therefore be the most massive neutron star yet observed, and would serve as a strong constraint on the neutron star interior EoS.

研究の動機と目的

• 二重系における相対論的タイミング効果を用いて、中性子星 PSR J0740+6620 の正確な質量を測定すること。
• 中性子星の最大質量を制約することで、超核密度における物質の状態方程式（EoS）を検証すること。
• 高い傾きを持つ二重パルサー系を活用してシャピロ遅延を検出することにより、正確な質量測定を可能にする相対論的効果を特定すること。
• これまでに観測された中で最も質量の大きな中性子星を同定することで、中性子星内部構造の制約を強化すること。

提案手法

• NANOGrav 12.5年間のパルサータイミングデータを用いて、PSR J0740+6620 の回転位相の時間的変化を追跡した。
• グリーン・バンク・テレスコープを用いた、軌道位相に特化した観測を組み合わせ、タイミングの精度を向上させた。
• 相対論的シャピロ遅延モデルを適用し、二重系における重力時間遅延によって引き起こされるパルス到着時刻の遅れを測定した。
• ベイズ推論を用いて、タイミングおよび軌道パラメータの不確実性を考慮した質量の後方分布を導出した。
• タイミング解を相対論的効果（シャピロ遅延を含む）を補正することで、パルサーおよびその伴星の質量を分離した。
• 高い傾きを持つ系において、シャピロ遅延信号の有意性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相対論的シャピロ遅延を用いて測定された PSR J0740+6620 の正確な質量は何か？
• RQ2 PSR J0740+6620 の測定された質量は、超核密度における物質の状態方程式にどのような制約を課えるか？
• RQ3 高い精度のタイミングを用いた、高い傾きを持つ二重系におけるミリ秒パルサーのシャピロ遅延測定は、信頼性のある質量測定を可能にするか？
• RQ4 PSR J0740+6620 は現在までに観測された中で最も質量の大きな中性子星であるか？ そしてこれは中性子星構造モデルにどのような意味を持つのか？

主な発見

• PSR J0740+6620 の質量は、68.3% の信用区間で太陽質量の $2.17^{+0.11}_{-0.10}$ と測定された。
• この測定により、PSR J0740+6620 は現在のデータに基づいて観測された中で最も質量の大きな中性子星であることが確立された。
• 観測されたシャピロ遅延は、高い傾きを持つ二重系の存在を強く裏付ける証拠となり、正確な質量決定を可能にした。
• この結果は、低い最大質量を予測するモデルを排除するなど、中性子星物質の状態方程式に対する厳密な制約をもたらした。
• 長期間にわたるパルサータイミングと標的観測を組み合わせることで、極限物理学を探査する有効性が示された。
• 質量測定の不確実性は、これまでのどの中性子星よりも小さく、理論的モデリングにおいて極めて価値が高い。