[論文レビュー] Constraints on phase transition and nuclear symmetry parameters with PSR J0740+6620 and multimessenger data of other neutron stars

Shao-Peng Tang, Jin-Liang Jiang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2021

Geophysics and Gravity Measurements被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、PSR J0740+6620、GW170817、PSR J0030+0451のマルチメッセンジャーデータに加え、PREX-IIの中性子皮厚さ測定値を組み合わせることで、高密度物質の状態方程式（EoS）を制約した。$L \approx 70_{-18}^{+21}$ MeV、$R_{\text{skin}}^{208} = 0.204^{+0.030}_{-0.026}$ fm、$R_{1.4} = 12.3 \pm 0.7$ km、$\Lambda_{1.4} = 330_{-100}^{+140}$、$P_{2\rho_{\text{sat}}} = 4.1_{-1.2}^{+1.5} \times 10^{34}$ dyn cm$^{-2}$ を予測し、ハイブリッド星と通常の中性子星の両者に同等のベイズ証拠が得られた。

ABSTRACT

Recently, the radius of neutron star (NS) PSR J0740+6620 was measured by NICER and an updated measurement of neutron skin thickness of ${}^{208}$Pb ($R_{ m skin}^{208}$) was reported by the PREX-II experiment. These new measurements can help us better understand the unknown equation of state (EoS) of dense matter. In this work, we adopt a hybrid parameterization method, which incorporates the nuclear empirical parameterization and some widely used phenomenological parameterizations, to analyze the results of nuclear experiments and astrophysical observations. With the joint Bayesian analysis of GW170817, PSR J0030+0451, and PSR J0740+6620, the parameters that characterize the ultra dense matter EoS are constrained. We find that the slope parameter $L$ is approximately constrained to $70_{-18}^{+21}$ MeV, which predicts $R_{ m skin}^{208}=0.204^{+0.030}_{-0.026}\,{ m fm}$ by using the universal relation between $R_{ m skin}^{208}$ and $L$. And the bulk properties of canonical $1.4\,M_\odot$ NS (e.g., $R_{1.4}$ and $\Lambda_{1.4}$) as well as the pressure ($P_{2 ho_{ m sat}}$) at two times the nuclear saturation density are well constrained by the data, i.e., $R_{1.4}$, $\Lambda_{1.4}$, and $P_{2 ho_{ m sat}}$ are approximately constrained to $12.3\pm0.7$ km, $330_{-100}^{+140}$, and $4.1_{-1.2}^{+1.5} imes10^{34}\,{ m dyn\,cm^{-2}}$, respectively. Besides, we find that the Bayes evidences of the hybrid star and normal NS assumptions are comparable, which indicates that current observation data are compatible with quarkyonic matter existing in the core of massive star. Finally, in the case of normal NS assumption, we obtain a constraint for the maximum mass of nonrotating NS $M_{ m TOV}=2.30^{+0.30}_{-0.18}$ $M_\odot$. All of the uncertainties reported above are for 68.3% credible levels.

研究の動機と目的

• 最近の天体物理学的および核実験的データを用いて、中性子星内の高密度物質の状態方程式（EoS）を制約すること。
• $^{208}$Pbの中性子皮厚さ（$R_{\text{skin}}^{208}$）が核対称性エネルギーの勾配パラメータ $L$ に与える影響を調査すること。
• ハイブリッド星モデル（クォークヨニックコア）と通常の中性子星モデル（ハドロンコア）の両者を比較し、ベイズ証拠を用いてクォークヨニック物質が中性子星の中心に存在する可能性を評価すること。
• 半径、潮汐歪み率、高密度領域における圧力といった、中性子星の重要な性質の制約を強化すること。
• 通常の中性子星仮定のもとで、非回転中性子星の最大質量を特定すること。

提案手法

• 核の経験的パラメータズーションと広く用いられる擬似実験的EoSモデルを組み合わせたハイブリッドパラメータライゼーション手法を採用した。
• 重力波（GW170817）、X線タイミング（PSR J0030+0451）、NICERを用いた半径測定（PSR J0740+6620）というマルチメッセンジャーデータを統合したベイズ解析を実施した。
• PREX-II実験による$R_{\text{skin}}^{208}$の更新測定値を用いて、対称性エネルギーの勾配$L$を制約した。
• $L$と$R_{\text{skin}}^{208}$の間の普遍的関係を適用し、$L$値から中性子皮厚さを予測した。
• ハイブリッド星（クォークヨニックコア）と通常の中性子星（ハドロンコア）の両モデルのベイズ因子分析を実施し、両者の証拠を比較した。
• マルコフ連鎖モンテカルロ法を用いて、すべての制約パラメータについて68.3%信用区間を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチメッセンジャーデータの統合解析から、対称性エネルギーの勾配パラメータ$ L $はどのように制約されるか？
• RQ2 $^{208}$Pbの中性子皮厚さ（$R_{\text{skin}}^{208}$）は$ L $とどのように関係し、普遍的関係に基づいて予測される値は何か？
• RQ3 質量1.4\,M_\odotの中性子星について、半径（$R_{1.4}$）、潮汐歪み率（$\Lambda_{1.4}$）、核密度2倍の状態での圧力（$P_{2\rho_{\text{sat}}}$）の制約値は何か？
• RQ4 高密度の中性子星の中心にクォークヨニック物質が存在するという仮説に、顕著なベイズ的証拠があるか？
• RQ5 通常の中性子星仮定のもとで、非回転中性子星の最大質量の上限は何か？

主な発見

• $L$の対称性エネルギー勾配パラメータは、68.3%信用区間で$70_{-18}^{+21}$ MeVに制約された。
• 普遍的関係$ L $と$ R_{\text{skin}}^{208} $を用いて、$^{208}$Pbの中性子皮厚さは$0.204^{+0.030}_{-0.026}$ fmに予測された。
• 標準的質量1.4\,M_\odotの中性子星の半径は$12.3 \pm 0.7$ kmに制約された。
• 質量1.4\,M_\odotの中性子星の潮汐歪み率は$330_{-100}^{+140}$に制約された。
• 核密度2倍の状態での圧力は$4.1_{-1.2}^{+1.5} \times 10^{34}$ dyn cm$^{-2}$に制約された。
• ハイブリッド星モデルと通常の中性子星モデルの両者に同等のベイズ証拠が得られ、現在のデータは両者を同時に支持しており、高密度の中性子星にクォークヨニック物質が存在する可能性も含めて整合的である。