[論文レビュー] Constraining neutron star properties and dark matter admixture with the NITR-I equation of state: Insights from observations and universal relations

Pinku Routaray, Harish Chandra Das+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2023

Pulsars and Gravitational Waves ResearchPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、PSR J0952-0607およびHESS J1731-347からの観測的制約を用いて、ダークマター（DM）を含む中性子星の新しい相対論的平均場（INRS）状態方程式を提案する。DMのフェルミ運動量が0.045 GeVまでであれば、質量、半径、潮汐歪み、NICERの制約と整合することが示された。また、DMの増加は非球面的fモード振動数を上昇させ、状態方程式を軟化させる。これは、HESS J1731-347が潜在的なDMを含む中性子星である可能性を支持する。

ABSTRACT

A recent observational study has constrained the maximum mass of neutron stars (NSs), with particular attention to PSR J0952-0607 and the compact star remnant HESS J1731-347, especially in the low-mass regime. Building on our earlier work, which developed the NITR energy density functional (EDF) to reproduce the mass limit of PSR J0952-0607 but did not satisfy other observational constraints, this study introduces a refined EDF named ``NITR-I". NITR-I successfully reconciles the PSR J0952-0607 mass limit with observational data, including radius measurements from NICER+XMM and tidal deformability constraints from GW170817, demonstrating its robustness. The low-mass constraint associated with HESS J1731-347 indicates diverse NS compositions. Since NITR-I alone cannot satisfy this constraint, we explore the role of dark matter (DM) within NSs to bridge the gap. Incorporating DM, particularly at specific Fermi momentum values, enables the model to address this constraint. We further analyze the influence of DM on various NS properties, such as tidal deformability and non-radial $f$-mode oscillations, across multiple relativistic mean-field models. The presence of DM suggests a reduction in tidal deformability and shifts in oscillation frequencies, potentially offering detectable signatures in gravitational wave observations from neutron star mergers. Additionally, we investigate universal relations (URs) for DM-admixed NSs, focusing on correlations such as compactness versus tidal deformability and $f$-mode frequency versus tidal deformability. Canonical values for these properties are estimated using GW170817 data, offering further insights into the structure and composition of neutron stars.

研究の動機と目的

• PSR J0952-0607およびHESS J1731-347からの観測的制約を用いて、中性子星におけるダークマター混合の妥当性を調査すること。
• PSR J0952-0607の質量（2.35 M☉）を再現し、ダークマターを組み込む新しい相対論的平均場（INRS）状態方程式を開発すること。
• NICER、GW170817、GW190814を含むマルチメッセンジャーデータを用いて、中性子星内のダークマターの量を制約すること。
• ダークマターが中性子星の潮汐歪みおよび非球面的fモード振動に与える影響を分析すること。

提案手法

• PSR J0952-0607の質量を再現し、単一流体アプローチによりダークマターを組み込む新しい相対論的平均場（RMF）モデル、すなわちINRSが構築された。
• 状態方程式（EOS）は、スカラー、ベクトル、およびrhoメソン場を含むINRSラグランジアン密度から導出され、非線形自己結合項およびクロス結合項が含まれる。
• ダークマターは可変なフェルミ運動量k_f^DMを有するフェルミガスとしてモデル化され、連立されたアインシュタイン方程式と物質場方程式を解くことでそのEOSへの影響が計算された。
• 観測データを用いてモデルが制約された：NICERからの質量と半径、GW170817およびGW190814からの潮汐歪み、HESS J1731-347の低質量および低半径。
• 非球面的fモード振動は、相対論的コールディング近似の下で計算され、ダークマターが星の振動に与える影響が調査された。
• すべてのDM混合レベルにおいて、チャイral有効場理論のEOS制約とモデルの整合性が確認された。

Figure 1: Using the chiral EFT bound, which is shaded in pink color, the EOS for the INRS model is plotted with and without DM. The inset plot shows how the sound speed ( $c_{s}^{2}$ ) varies with the density.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 INRS状態方程式を用いたダークマター混合中性子星モデルは、PSR J0952-0607およびHESS J1731-347の質量と半径制約を満たすことができるか？
• RQ2 NICER、GW170817、GW190814を含むマルチメッセンジャーデータと整合する最大のダークマターフェルミ運動量k_f^DMは何か？
• RQ3 ダークマター混合は中性子星の潮汐歪みにどのように影響し、その値は重力波イベントの範囲内に収まるか？
• RQ4 ダークマターの組み込みは、中性子星の非球面的fモード振動周波数にどのように影響するか？
• RQ5 ダークマターを含むINRSモデルは、チャイral有効場理論による状態方程式の制約と整合するか？

主な発見

• ダークマターを含むINRSモデルは、最大中性子星質量2.343 M☉を生成し、観測されたPSR J0952-0607の質量（2.35 ± 0.17 M☉）とNICERの制約内に収まる。
• ダークマターのフェルミ運動量k_f^DMが0.045 GeVまでであれば、HESS J1731-347の質量と半径制約（0.77⁺⁰.²⁰₋₀.¹⁷ M☉、10.4⁺⁰.⁸⁶₋₀.⁷⁸ km）およびCapanoら（2020）の標準的半径制約を満たす。
• DM混合星の潮汐歪み値は、GW170817およびGW190814の90%信用区間内に位置し、重力波観測と整合的であることが示された。
• ダークマターの組み込みは状態方程式を軟化させ、最大質量を低下させるとともに、k_f^DMが増加するにつれて非球面的fモード振動周波数を上昇させる。
• すべてのk_f^DMの値において、モデルはチャイral有効場理論の制約内に保たれ、理論的堅牢性が確認された。
• 解析は、特にk_f^DM ≈ 0.03 GeVの場合に、HESS J1731-347がダークマター混合中性子星である可能性を支持する。

Figure 2: The mass-radius relation for our novel RMF model INRS is shown with and without DM along with different observational constraints.