[論文レビュー] Constraining the equation of state with gravitational wave observation

Rana Nandi, Prasanta Char+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2018

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、GW170817の重力波データと中性子星質量測定値を用いて、核状態方程式を制約し、相対論的平均場モデルを潮汐歪み率と中性子皮厚さに対して分析している。僅か数つの剛性の状態方程式でさえ、軟らかな対称性エネルギーを持つものしか制約を満たさないことが判明し、1.4太陽質量の中性子星の半径について、R(1.4M⊙) < 12.9 km という上限が得られた。

ABSTRACT

The first detection of gravitational waves from binary neutron star merger event GW170817 has started to provide important new constraints on the nuclear equation of state at high density. The tidal deformability bound of GW170817 combined with the observed 2M_solar neutron star poses serious challenge to theoretical formulations of realistic equation of state. We analyze a fully comprehensive set of relativistic nuclear mean-field theories by confronting with the observational bounds and the measured neutron-skin thickness. We find only few models can withstand these bounds which predict a stiff overall equation of state but with a soft neutron-proton symmetry energy. Two possible indications are proposed: Circumstantial evidence of hadron-quark phase transition inside the star and new parametrizations that are consistent with ground state properties of finite nuclei and observational bounds. Based on extensive analysis of these sets, an upper limit on the radius of a 1.4M_solar neutron star of R(1.4M_solar) < 12.9 km is deduced.

研究の動機と目的

• GW170817からの重力波観測を用いて、高密度領域における核状態方程式を制約すること。
• 理論的モデルが観測された潮汐歪み率と2M⊙質量制限を整合させる方法を特定すること。
• 相対論的平均場モデルが、核の基底状態の性質と天体物理学的観測の両方に整合するかを評価すること。
• 中性子皮厚さの測定値と重力波の制約の両方を満たす妥当な状態方程式を特定すること。

提案手法

• 観測的制約に対して体系的に評価される、包括的な相対論的核平均場理論のセットが用いられている。
• GW170817からの潮汐歪み率が、状態方程式に対する主要な制約として用いられている。
• 原子核からの中性子皮厚さの測定値が、モデルのパラメータをさらに制限するために組み込まれている。
• 解析は、2M⊙質量制限と潮汐歪み率の両方を同時に満たすモデルに焦点を当てている。
• モデルがデータと整合する度合いに基づいて順位付けられるベイズ的または尤度に基づく比較が暗黙的に想定されている。
• 生存するモデルから1.4M⊙の中性子星の半径が導かれ、上限が確立されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの相対論的平均場モデルが、GW170817の潮汐歪み率と2M⊙の中性子星質量と整合するか？
• RQ2 中性子皮厚さの測定値は、対称性エネルギーと状態方程式にどのように制約を加えるか？
• RQ3 重力波データと核のデータの組み合わせは、中性子星内にハドロン-クォーク相転移が存在する可能性をどのように示唆するか？
• RQ4 剛性の全体的状態方程式が軟らかな対称性エネルギーと共存可能であるか、そして中性子星構造にどのような意味を持つのか？
• RQ5 現在の観測的・理論的制約と整合する中で、1.4M⊙の中性子星の半径の最もきつい上限は何か？

主な発見

• GW170817の潮汐歪み率と2M⊙の中性子星質量という両方の制約を満たす相対論的平均場モデルは僅かに数個に限られる。
• これらの生存モデルは、剛性の全体的状態方程式だが、中性子-陽子対称性エネルギーが軟らかいという特徴を持つ。
• 間接的証拠として、中性子星内にハドロン-クォーク相転移が存在する可能性が示唆される。
• モデルは、有限核の基底状態と天体物理学的観測の両方に整合する新しいパラメータ化のクラスを示している。
• 1.4太陽質量の中性子星の半径について、R(1.4M⊙) < 12.9 km という上限が確立された。