[論文レビュー] Analysis of Neutron Stars Observations Using a Correlated Fermi Gas Model

O. Hen, Andrew W. Steiner+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、地上の対称性エネルギー制約を組み込んだ中性子星（NS）の状態方程式（EOS）計算において、相関するフェルミガス（CFG）モデルと自由フェルミガス（FFG）モデルを比較している。ポテンシャル的対称性エネルギーの密度依存性が著しく異なるにもかかわらず、両モデルともほぼ同一のNS-EOSをもたらし、2太陽質量の中性子星を支持する。これは、ベイズ的手法によるNS-EOS推論が、運動的対称性エネルギーのモデル選択にかかわらず頑健であることを示している。

ABSTRACT

Background: The nuclear symmetry energy is a fundamental ingredient in determining the equation of state (EOS) of neutron stars (NS). Recent terrestrial experiments constrain both its value and slope at nuclear saturation density, however, its value at higher densities is unknown. Assuming a Free Fermi-gas (FFG) model for the kinetic symmetry energy, the high-density extrapolation depends on a single parameter, the density dependence of the potential symmetry energy. The Correlated Fermi-gas (CFG) model improves on the FFG model by including the effects of short-range, correlated, high-momentum, nucleons in nuclear matter. Using the CFG model for the kinetic symmetry energy along with constraints from terrestrial measurements leads to a much softer density dependence for the potential symmetry energy. Purpose: Examine the ability of the FFG and CFG models to describe NS observables that are directly sensitive to the symmetry energy at high-density. Specifically, examine the ability of the CFG model, with its softer density dependence of the potential symmetry energy, to describe a two solar-mass NS. Methods: Using a Bayesian analysis of NS observables we compare the CFG and FFG models and examine the resulting parameters in the NS EOS and the density dependence of the potential symmetry energy. Results: Despite the large difference in the density dependence of the potential part of the symmetry energy, both models can describe the NS data and support a two solar-mass NS. The different density dependences has only a small effect on the NS EOS. Conclusions: While sensitive to the high-density values of the symmetry energy, NS observables alone are not enough to distinguish between the CFG and FFG models. This indicates that the NS EOS, obtain from Bayesian analysis of NS observables, is robust and is not sensitive to the exact nuclear model used for the kinetic symmetry energy.

研究の動機と目的

• 相関するフェルミガス（CFG）モデル（短距離相関を持つ核子を含む）が、標準的な自由フェルミガス（FFG）モデルよりも中性子星（NS）の観測量をよりよく記述するかどうかを評価すること。
• CFGモデルとFFGモデルにおけるポテンシャル的対称性エネルギーの異なる密度依存性が、得られる中性子星状態方程式（EOS）に与える影響を特定すること。
• 現在のNS観測データのみでは、対称性エネルギーの高密度領域における予測が異なるCFGモデルとFFGモデルを区別できるかどうかを評価すること。
• 運動的対称性エネルギーのための異なる核Many-bodyモデルを用いた場合の、NS-EOSのベイズ的推論の頑健性をテストすること。
• 重イオン衝突からの観測量など、NSデータ以外の他の観測量がCFGモデルとFFGモデルを区別できるかどうかを検討すること。

提案手法

• 中性子星質量、半径、冷却挙動の観測データを用いて、ベイズ的解析フレームワークを採用し、中性子星状態方程式（EOS）を制約した。
• 短距離相関（SRC）を持つ核子対を、フェルミ運動量を超える部分に$k^{-4}$のテイルを持つ運動量分布を介して組み込んだ、相関するフェルミガス（CFG）モデルを用いて、核対称性エネルギーの運動的寄与を記述した。
• CFGモデルを、SRC効果を含まない単純なフェルミ分布を仮定する標準的な自由フェルミガス（FFG）モデルと比較した。
• 地上実験による制約を用いて、全対称性エネルギーおよびその核飽和密度（$\rho_0$）における勾配を固定し、ポテンシャル的対称性エネルギー（$\gamma$）の密度依存性を自由パラメータとして推定した。
• モデルパラメータの事後分布を探索するために、マルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）サンプリングを用いてEOSパラメータを解いた。
• 得られたEOSが観測された2太陽質量の中性子星（2M☉ NS）と整合するかを評価し、CFGモデルとFFGモデルの間でエネルギー/核子および圧力プロファイルを比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相関するフェルミガス（CFG）モデルに短距離相関を持つ核子を組み込むことで、自由フェルミガス（FFG）モデルと比較して中性子星の状態方程式（EOS）が顕著に変化するか？
• RQ2 ポテンシャル的対称性エネルギーの密度依存性が著しく柔らかくなるCFGモデルでも、2太陽質量の中性子星を支持できるか？
• RQ3 現在の中性子星観測データは、対称性エネルギーの運動的寄与に用いるCFGモデルとFFGモデルの選択をどの程度制限できるか？
• RQ4 中性子星EOSのベイズ的推論は、対称性エネルギーの運動的寄与に用いる核Many-bodyモデルの選択にどの程度敏感か？
• RQ5 重イオン衝突からの観測量など、NSデータ以外の他の観測量がCFGモデルとFFGモデルを区別できるか？

主な発見

• ポテンシャル的対称性エネルギーの密度依存性が著しく異なる（CFGモデルでは著しく柔らかくなる）にもかかわらず、得られる中性子星状態方程式（EOS）はFFGモデルとほとんど区別できない。
• CFGモデルでは、運動的対称性エネルギーが低いことから、飽和密度におけるポテンシャル的対称性エネルギーがFFGモデルよりも顕著に高くなるが、これは非常に柔らかい密度依存性によって相殺される。
• CFGモデルとFFGモデルの両方が、観測された2太陽質量の中性子星（2M☉ NS）を適切に記述できることから、現在のNSデータだけでは両モデルを排他的に除外できない。
• 両モデルとも、飽和密度（$\rho_0$）における核子あたりエネルギーは、実験的値16 MeVと整合しており、CFGモデルではわずかに増加するにとどまる。
• CFGモデルとFFGモデルの間で、EOSの圧力およびエネルギー密度プロファイルはほぼ同一であり、これは中性子星の巨視的性質が運動的対称性エネルギーモデルの選択に頑健であることを示している。
• 本研究は、ベイズ的手法によるNS-EOS推論が、運動的対称性エネルギーのための核モデルの選択にかかわらず頑健であり、かつ、根本的な仮定が著しく異なる場合でもその影響を受けないことを結論づけている。