[論文レビュー] Constraining the Bulk Properties of Dense Matter by Measuring Millisecond Pulsar Masses - A White Paper for the Astronomy and Astrophysics Decadal Survey, CFP Panel

P. C. C. Freire, David J. Nice+5 more|ArXiv.org|Feb 17, 2009

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 4

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、高密度核物質の状態方程式（EOS）を制約するため、ミリ秒パulsar（MSP）の継続的な高精度時刻測定を提唱している。特に二重中性子星系や球状星団系において、後ケプラー的（post-Keplerian; PK）軌道パラメータを用いたMSP質量測定により、PSR J1903+0327の1.616 M☉という測定値が、軟らかい状態方程式を除外し、中性子星の最大質量および中心密度に厳しい制約を課すことを示している。

ABSTRACT

More than four decades after the discovery of pulsars, the composition of matter at their cores is still a mystery. This white paper summarizes how recent high-precision measurements of millisecond pulsar masses have introduced new experimental constraints on the properties of super-dense matter, and how continued timing of intriguing new objects, coupled with radio telescope surveys to discover more pulsars, might introduce significantly more stringent constraints.

研究の動機と目的

• 精密なミリ秒パulsar（MSP）質量測定を用いて、高密度核物質の状態方程式（EOS）の制約を改善すること。
• 後ケプラー的（PK）パラメータが測定可能な二重系におけるMSPを特定・研究し、パulsar質量および半径を特定すること。
• 長期間にわたる高感度時刻測定キャンペーンにより、中性子星質量および半径推定値の不確実性を低減すること。
• 今後の準ミリ秒パulsarおよび高質量系の検出を可能とし、状態方程式の制約をさらに強化すること。
• SKAなどの次世代電波望遠鏡の導入を提唱し、測定可能なMSPおよびPKパラメータのサンプルを顕著に拡大すること。

提案手法

• 二重パulsar系において、近日点進動、シャピロ遅延、重力放射による軌道減衰といった後ケプラー的（PK）軌道パラメータを測定し、パulsarおよび同伴天体の質量を決定する。
• 高時間分解能・広帯域観測（≥1 GHz）を実施し、パulsar信号の微細構造を解明し、時刻測定精度を向上させる。
• 数十年にわたる継続的・長期的時刻測定キャンペーンを実施し、明るくない遠方のMSPにおける相対論的パラメータ（γ：時間遅延および重力赤方偏移）を測定する。
• グリーン・バンク望遠鏡（GBT）やアレイボ観測所といった感受性の高い機器を活用し、特に球状星団内における明るくないMSPの検出および時刻測定を実施する。
• トロルマン＝オッペンハイマー＝ヴォルコフ（TOV）方程式の数値解を用いて、さまざまなEOS候補の質量-半径（M-R）関係を計算する。
• 将来的な干渉計および距離測定（例：SKAから得られるもの）を活用し、パulsarの慣性モーメントを推定することで、状態方程式の制約をさらに強化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された中性子星質量に基づく、超核密度における物質の状態方程式は何か？
• RQ2 中性子星の最大質量・半径・回転周波数の上限は何か？ そしてそれらは妥当なEOSモデルをどのように制約するか？
• RQ3 ミリ秒パulsarの質量分布は、高密度物質の背後にある物理法則をどのように示唆するか？
• RQ4 MSP二重系における相対論的パラメータ（γ）の測定が、質量および半径の制約をどのように改善できるか？
• RQ5 将来的な調査および機器（例：SKA）は、状態方程式をさらに制約する新たなMSPを発見する上で果たす役割は何か？

主な発見

• PSR J1903+0327の精密な質量測定値1.616 M☉は、最大質量が1.44 M☉未満を予測するGS1のような最も軟らかい状態方程式を除外する。
• Hulse-Taylor二重パulsar（PSR B1913+16）の質量1.4408 ± 0.0003 M☉は、中性星最大質量に対する明確な下限を提供し、より軟らかいEOSを除外する。
• 最も速く回転するパulsar、PSR J1748−2446ad（716 Hz）は、遠心破壊限界に近いが、XTE J1739−285のような源でより高い回転周波数が確認されれば、状態方程式の制約がさらに強化される可能性がある。
• 二重パulsarPSR J0737−3039Aの長期間時刻測定により、慣性モーメントの測定が可能となり、そのよく測定された質量と組み合わせて、状態方程式に対する独自の制約が得られる可能性がある。
• 球状星団やALFAおよびGBTドリフトスキャン調査などの調査を通じて新たなMSPが発見されれば、質量測定可能な系のサンプルが顕著に拡大される。
• 将来的な機器（例：平方キロメートルアレイ（SKA））により、PSR J0737−3039Aまでの距離を高精度で測定可能となり、直接的に慣性モーメントの推定が可能となり、状態方程式の制約がさらに精錬される。