[論文レビュー] Bayesian analysis of multimessenger M-R data with interpolated hybrid EoS

Alexander Ayriyan, D. Blaschke+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 88被引用数 52

ひとこと要約

本論文は、軟いバリオン系状態方程式（EoS）（APR）と硬い色超伝導クォーク物質EoS（非局所NJLモデル、2自由パラメータ（ηD, ηV）を用いた）の間を二領域の放物線的補間で行う、新規の手法を用いて、マルチメッセンジャー中性子星データのベイズ解析を提示する。主な結果として、データはηD ≈ 0.75である色超伝導クォーク相を強く支持し、最も確率の高いEoSは2.5 M⊙を超える最大質量を支持できない。これは、GW190814が中性子星–ブラックホール連星ではなく、二重ブラックホール合体である可能性が高いことを示唆している。

ABSTRACT

We introduce a family of equations of state (EoS) for hybrid neutron star (NS) matter that is obtained by a two-zone parabolic interpolation between a soft hadronic EoS at low densities and a set of stiff quark matter EoS at high densities within a finite region of chemical potentials $\mu_H < \mu < \mu_Q$. Fixing the hadronic EoS as the APR one and choosing the color-superconducting, nonlocal NJL model with two free parameters for the quark phase, we perform Bayesian analyses with this two-parameter family of hybrid EoS. Using three different sets of observational constraints that include the mass of PSR J0740+6620, the tidal deformability for GW170817, and the mass-radius relation for PSR J0030+0451 from NICER as obligatory (set 1), while set 2 uses the possible upper limit on the maximum mass from GW170817 as an additional constraint and set 3 instead of the possibility that the lighter object in the asymmetric binary merger GW190814 is a neutron star. We confirm that in any case, the quark matter phase has to be color superconducting with the dimensionless diquark coupling approximately fulfilling the Fierz relation $\eta_D=0.75$ and the most probable solutions exhibiting a proportionality between $\eta_D$ and $\eta_V$, the coupling of the repulsive vector interaction that is required for a sufficiently large maximum mass. We used the Bayesian analysis to investigate with the method of fictitious measurements the consequences of anticipating different radii for the massive $2~M_\odot$ PSR J0740+6220 for the most likely equation of state. With the actual outcome of the NICER radius measurement on PSR J0740+6220 we could conclude that for the most likely hybrid star EoS would not support a maximum mass as large as $2.5~M_\odot$ so that the event GW190814 was a binary black hole merger.

研究の動機と目的

• ハドロン系とクォーク物質系の相の間を二領域の放物線的補間で行う、柔軟で物理的に妥当なハイブリッド中性子星状態方程式（EoS）の族を開発すること。
• 質量、半径、潮汐歪度のマルチメッセンジャー制約（質量、半径、潮汐歪度）を用いたベイズ解析により、EoSパラメータの事後分布を推定すること。
• GW190814のコン pact 物体の性質に関する異なる観測仮定のもとで、EoS制約の頑健性を検証すること。
• PSR J0740+6620の架空のNICER半径測定値を用いて、この手法の予測能力を評価すること。
• PSR J0740+6620で観測された最大質量2.14 M⊙が、より高い質量を支持するハイブリッドEoSモデルと整合するかどうかを特定すること。

提案手法

• 低密度で軟らかなAPR EoSと高密度で非局所NJLモデルによる色超伝導クォーク物質EoSとの間を、二パラメータのEoS族として補間すること。
• 化学ポテンシャル空間における放物線的補間を用い、µH = 991 MeV（n ≈ 1.5n₀）からµQまで滑らかな遷移を確保し、物理的に不適切な再コンfinementを回避すること。
• 三つの異なる観測制約セットを用いたベイズ推論を実施する：(1) PSR J0740+6620の質量、GW170817の潮汐歪度、NICER J0030+0451の半径；(2) GW170817からのMmax上界を追加；(3) GW190814の軽い側が中性子星であると仮定。
• 将来のNICER半径測定値の影響を評価するために、PSR J0740+6620の架空の測定値を用いる手法を適用し、EoS推定に与える影響を検証すること。
• EoSモデルの事後確率を計算し、相対的事後正規化を用いて、制約セット間での結果を比較すること。
• 得られたM–R曲線、EoSの圧力–エネルギー密度関係、潮汐歪度相関（Λ1–Λ2）を分析し、物理的制約を抽出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハドロン系とクォーク物質系EoSの間を二領域の放物線的補間することで、物理的に妥当なハイブリッド星を生成できるか、物理的に不適切な再コンフィnementを避けることができるか？
• RQ2 色超伝導クォーク物質相における二重子結合（ηD）とベクトル相互作用強度（ηV）の事後制約は何か？
• RQ3 PSR J0740+6620の質量と半径を制約として含めることで、より高い最大質量を支持するEoSモデルが支持されるか？
• RQ4 PSR J0740+6620で観測された2.14 M⊙の質量が、GW170817およびNICERの制約を満たすハイブリッドEoSモデルと整合するか？
• RQ5 推定されたEoS制約を踏まえたとき、GW190814が中性子星–ブラックホール連星であった可能性はどの程度か？

主な発見

• ベイズ解析は、Fierz関係と整合するηD ≈ 0.75である色超伝導クォーク物質相を強く支持する。
• 最も確率の高いEoS解では、ηDとηVの強い相関が見られ、反発的ベクトル相互作用（ηV）が十分に大きな中性子星最大質量を達成するために不可欠である。
• 推定されたEoS族は2.5 M⊙を超える最大質量を支持できないため、GW190814に質量約2.6 M⊙の中性子星が関与していたというシナリオは除外される。
• PSR J0740+6620の実際のNICER半径測定値（R ≈ 11.4 km）は、最も確率の高いハイブリッドEoSが2.5 M⊙の中性子星を支持できないことを示唆し、GW190814が二重ブラックホール合体であった可能性が高いことを強化する。
• 架空の測定値を用いた手法は、将来のNICER半径測定値がEoSを、特に高密度領域で顕著に制約することを的確に予測した。
• 同じ制約セット（セット1）を用いた場合、本研究のEoSモデル族の相対的事後確率は、以前のモデル（参考文献[11]）の5倍以上である。これは、データ適合性が向上したことを示している。