[論文レビュー] Compact star constraints on the high-density EoS

H. Grigorian, D. Blaschke+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2006

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、中性子星の質量・半径測定、重イオン衝突（HIC）の流れデータ、冷却挙動からの制約を用いて、色超伝導クォーク物質への相転移を組み込んだ、コンパクト星のハイブリッド状態方程式（EoS）を提案する。得られたEoSは最大星質量2.1 M⊙を達成し、全天文物理学的およびHICの制約を満たしており、密度ジャンプが最小限の近いクロスオーバー転移を予測する。これにより、中性子星と区別できない「マスカレード」型ハイブリッド星が可能となる。

ABSTRACT

A new scheme for testing the nuclear matter (NM) equation of state (EoS) at high densities using constraints from compact star (CS) phenomenology is applied to neutron stars with a core of deconfined quark matter (QM). An acceptable EoS shall not to be in conflict with the mass measurement of 2.1 +/- 0.2 M_sun (1 sigma level) for PSR J0751+1807 and the mass-radius relation deduced from the thermal emission of RX J1856-3754. Further constraints for the state of matter in CS interiors come from temperature-age data for young, nearby objects. The CS cooling theory shall agree not only with these data, but also with the mass distribution inferred via population synthesis models as well as with LogN-LogS data. The scheme is applied to a set of hybrid EsoS with a phase transition to stiff, color superconducting QM which fulfills all above constraints and is constrained otherwise from NM saturation properties and flow data of heavy-ion collisions. We extrapolate our description to low temperatures and draw conclusions for the QCD phase diagram to be explored in heavy-ion collision experiments.

研究の動機と目的

• コンパクト星の物性から得られる複数の高密度制約を満たす、密度の高い核物質の信頼性の高い状態方程式（EoS）の開発を目的とする。
• 中性子星質量測定から要請される硬めのEoSと、重イオン衝突（HIC）の流れデータから導かれるやや柔らかいEoSとの間に生じる矛盾を解消することを目的とする。
• コンパクト星におけるクォーク物質への相転移が、矛盾する天文物理学的およびHICの制約を調和させることに成功するかを検証することを目的とする。
• 得られたEoSが有限温度・密度におけるQCD相図に与える影響を検討することを目的とする。
• ハイブリッド星が観測されたコンパクト星の冷却行動および人口統計を説明する可能性を評価することを目的とする。

提案手法

• 低〜中程度の密度で核物質（NM）のEoSをモデル化するために、ボンAポテンシャルを用いた相対論的ディラック＝ブルッッッカー＝ハートリー＝フォック（DBHF）手法を用いる。
• 高密度におけるクォーク物質（QM）の記述に、スカラーおよびベクトルチャンネルにおける自己無撞着な平均場を有する三フラバーNJL型クォークモデルを適用する。
• QMのEoSを硬くし、脱コンfinementの開始を制御するために、ベクトルメソン平均場結合（G_V = η_V G_S）と二重粒子対結合（G_D = η_D G_S）を導入する。
• PSR J0751+1807（質量2.1 ± 0.2 M⊙）およびRX J1856-3754（R > 12 km）からの制約を適用し、許容可能なEoSの硬さを制限する。
• Danielewiczら（2002）の重イオン衝突の流れデータを用いて、飽和密度を超える領域における対称核物質EoSの硬さを制約する。
• 若いコンパクト星の温度-年齢データおよびLogN-LogS源分布を用いて冷却挙動をテストし、EoSの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 色超伝導クォーク物質への相転移を含むハイブリッドEoSは、コンパクト星の質量・半径制約とHICの流れデータの両方を満たすことができるか？
• RQ2 クォーク物質EoSにベクトルメソン平均場を組み込むことで、十分に高い最大質量（≥2.1 M⊙）を達成しつつ、HICの制約と整合性を保てるか？
• RQ3 2SC相を有するハイブリッド星の冷却挙動は、Velaのような若い近距離X線減光天体の観測と一致するか？
• RQ4 得られたEoSにおける核物質-クォーク物質相転移の性質は何か？また、密度ジャンプが最小限の近いクロスオーバーとなるか？
• RQ5 EoSは有限温度におけるQCD相図、特に臨界線付近に与える影響は何か？

主な発見

• η_V = 0.50およびη_D = 1.03を用いたハイブリッドEoSは、最大星質量2.1 M⊙を達成し、PSR J0751+1807の測定結果と整合する。
• RX J1856-3754からのR > 12 kmという質量・半径制約を満たしており、高密度領域での十分な硬さを示している。
• モデルは核物質とクォーク物質の間で近いクロスオーバー転移を予測し、密度ジャンプが無視できるほど小さいため、「マスカレード」型ハイブリッド星の実現が可能である。
• 冷却シミュレーションでは、2SC相を有するハイブリッド星が急速に冷却され、Velaのような質量≤1.5 M⊙の若い減光X線源の観測と一致する。
• ROSAT全天画角調査からのLogN-LogS分布と整合し、EoSの人口合成への適合性が裏付けられる。
• 有限温度への拡張（DD-F4モデル）では、NM-2SC相転移がT ~ 45 MeVまで近いクロスオーバーのままであり、共存領域は最小限に抑えられる。