[論文レビュー] Can the maximum mass of neutron stars rule out any equation of state of dense stellar matter before gravity is well understood?

De-Hua Wen, Bao-An Li+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2011

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、ヤクバイ型重力補正を含めると、PSR J1614-2230の最大質量（1.97±0.04 M☉）が、中性子星における軟らかい状態方程式（EOS）を除外しないことを主張している。軟らかい核EOSとクォークコアにMITバッグモデルを適用した場合、g²/μ² ≈ 40–50 GeV⁻²のヤクバイ項が、観測された質量を支持するとともに、地上での非ニュートン的重力に関する制約と整合的であることを示している。

ABSTRACT

Probably No! As an example, using soft EOSs consistent with existing terrestrial nuclear laboratory experiments for hybrid neutron stars containing a quark core described with MIT bag model using reasonable parameters, we show that the recently discovered new holder of neutron star maximum mass PSR J1614-2230 of $1.97\pm0.04M_{\odot}$ can be well described by incorporating a Yukawa gravitational correction that is consistent with existing constraints from neutron-proton and neutron-lead scatterings as well as the spectroscopy of antiproton atoms.

研究の動機と目的

• 強い場の重力が十分に理解されていない状況下で、PSR J1614-2230の観測された最大質量が、高密度星物質の軟らかい状態方程式（EOS）を除外できるかどうかを評価すること。
• 特にヤクバイ補正を含む修正重力が、軟らかい核EOSですら高い中性子星質量を支持できるかどうかを調査すること。
• 非ニュートン的重力に関する既存の地上実験的制約と、必要なヤクバイパラメータの整合性をテストすること。
• 中性子星質量測定値のみで、重力モデルとEOSのデゲネラシーを解消できるかどうかを検討すること。
• クォークコアと軟らかいハドロンEOSを持つハイブリッド中性子星が、重力が短距離で修正された場合に、依然として高い質量に達できることを示すこと。

提案手法

• 地上の核実験と整合する軟らかい核EOSとMITバッグモデルを用いて、ハイブリッド中性子星をモデル化する。
• トロルマン＝オッペンハイマー＝ボルコフ（TOV）方程式にヤクバイ型重力補正を組み込み、重力ポテンシャルを修正する。
• ヤクバイ結合定数g²/μ²とバッグ定数Bを変化させ、得られる質量-半径関係および最大質量を調査する。
• TOV方程式を用いて星の構造を計算し、高密度領域におけるヤクバイ項が重力に与える影響を含める。
• 予測された最大質量を、観測されたPSR J1614-2230の質量（1.97±0.04 M☉）と比較し、整合性を評価する。
• 中性子-陽子および中性子 lead 散乱、および反プロトン原子分光測定からの既存の地上限界を用いて、ヤクバイパラメータを制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力がまだ十分に理解されていない状況で、PSR J1614-2230の観測質量が、高密度星物質の軟らかい状態方程式を除外できるか？
• RQ2 ヤクバイ重力補正は、軟らかい核EOSがもたらす影響をどれだけ相殺し、高い中性子星質量を支持できるか？
• RQ3 PSR J1614-2230の質量を再現するために必要なヤクバイパラメータは、既存の地上実験による非ニュートン的重力の制約と整合的か？
• RQ4 重力モデルとEOSのデゲネラシーは、中性子星質量のみを用いたEOSの識別を不可能にするか？
• RQ5 クォークコアと軟らかいハドロンEOSを持つハイブリッド中性子星が、修正重力のもとでPSR J1614-2230と整合する質量に達できるか？

主な発見

• 軟らかい核EOSとヤクバイ重力補正を用いても、PSR J1614-2230の最大質量（1.97±0.04 M☉）を再現可能であり、バッグ定数B^{1/4} = 170 MeVでも成立する。
• g²/μ² = 50 GeV⁻²のとき、モデルは最大質量1.97 M☉および半径約12.4 kmを達成し、観測された質量範囲と整合的である。
• B^{1/4} = 180 MeVのとき、g²/μ² = 40 GeV⁻²のより小さいヤクバイ結合でも十分であり、バッグ定数と結合定数の間でトレードオフがあることが示された。
• 必要なヤクバイパラメータ（g²/μ² ≈ 40–50 GeV⁻²）は、中性子-陽子および中性子 lead 散乱、反プロトン原子分光測定からの地上限界内に位置している。
• この研究は、修正重力が考慮されれば、PSR J1614-2230の観測質量が軟らかいEOSを除外しないことを示しており、高質量が単独で軟らかい物質の状態方程式を除外するという仮定に疑問を呈している。
• 結果から、強い場の重力の理解は未だ不確実であり、中性子星質量測定値のみでは、EOSと重力効果を分離できないことが示唆されている。