[論文レビュー] Constraints to the EOS of ultradense matter with model-independent astrophysical observations

G. Lavagetto, Ignazio Bombaci+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2006

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、PSR J0751+1807の2.1±0.2 M☉の質量と、XTE J1739-285における1122 Hzのバースト揺らぎというモデルに依存しない天体物理学的観測を用いて、中性子星内の超密な物質の状態方程式（EOS）を制約している。XTE J1739-285が核物質で構成されている場合、このような高い回転周波数を達成できるのは極めて剛性の高いEOSに限られ、これが準ミリ秒パulsarの希少性を説明する。PSR J0737-3039Aの慣性モーメントを10%の精度で測定できれば、素粒子星と剛性の高いバリオン星を区別できる。

ABSTRACT

The recent discovery of burst oscillations at 1122 Hz in the x-ray transient XTE J1739-285, together with the measurement of the mass of the binary millisecond pulsar PSR J0751+1807 (2.1 +- 0.2 solar masses) can finally allow us to put strong, model-independent observational constraints to the equation of state of compact stars. We show that the measurement of the moment of inertia of PSR J0737+3039A, together with these constraints, could allow to discriminate further the details of the inner structure of neutron stars. Moreover, we show that if XTE J1739-285 is constituted of nucleonic matter, any equation of state allows only a narrow range of very high masses, and this could explain why up to now compact stars spinning faster than a millisecond have been so difficult to detect.

研究の動機と目的

• モデルに依存しない天体物理学的観測を用いて、コンパクト星内の超密な物質の状態方程式（EOS）を制約すること。
• 高い回転周波数がEOSに与える影響を分析することで、準ミリ秒パulsarの観測的希少性を説明すること。
• 将来のPSR J0737-3039Aの慣性モーメント測定が、素粒子星と剛性の高いバリオン星を区別できるかどうかを評価すること。
• 異なるEOSの仮定のもとでの超質量中性子星の安定性および形成条件を評価すること。
• クォーク物質コアや素粒子クォーク物質が、観測された回転速度と質量制約と整合するかどうかを調査すること。

提案手法

• PSR J0751+1807の測定済み質量（2.1±0.2 M☉）を、コンパクト星の最大質量に対するモデルに依存しない制約として用いる。
• XTE J1739-285における観測された1122 Hzのバースト揺らぎを用いて、回転周波数の下限を導出し、結果としてEOSの剛性を制約する。
• 質量と回転制約を組み合わせることで、核物質に対する許容可能な状態方程式の範囲を特定する。
• 10%の測定精度を仮定して、PSR J0737-3039Aの慣性モーメントを式 I = (2/9)(1+5x)MR² を用いて評価する。
• 素粒子星（SS）と剛性の高いバリオン星（HS）の予測される慣性モーメントを比較し、将来的な観測によってその性質を区別する。
• 吸収と回転減速の下での超質量中性子星の安定性を、準ミリ秒回転に必要な狭い質量窓を考慮して分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PSR J0751+1807の質量とXTE J1739-285における1122 Hzの揺らぎは、超密な物質の状態方程式にどのような制約を課すか？
• RQ2 準ミリ秒パulsarの検出がなぜ稀であるのか、これはEOSの剛性によって説明可能か？
• RQ3 将来的なPSR J0737-3039Aの慣性モーメント測定は、素粒子星と剛性の高いバリオン星を区別できるか？
• RQ4 準ミリ秒周期で回転する超質量中性子星の安定性寿命はどの程度か？
• RQ5 クォーク物質コアや素粒子クォーク物質の存在は、高速回転するコンパクト星の観測可能性にどのように影響するか？

主な発見

• PSR J0751+1807の2.1±0.2 M☉の質量は、軟らかい状態方程式を除外し、中性子星では剛性の高いEOSを必要とする。
• XTE J1739-285が1122 Hz（0.891 ms周期）で回転するためには、核物質においては非常に剛性の高い状態方程式しか許されず、2 M☉付近の狭い質量窓に限定される。
• PSR J0737-3039Aの慣性モーメントが10%の精度で測定された場合、素粒子星と剛性の高いバリオン星を区別できる。両者の予測されるI値には顕著な差があるため。
• 剛性の高いバリオン星は、準ミリ秒周期に達するには2 M☉を超える質量を必要とし、安定した準ミリ秒回転を可能にするのは狭い質量範囲（例：KS EOSでは2–2.2 M☉）に限られる。
• 2–2.2 M☉の範囲にある超質量中性子星は不安定であり、吸収や回転減速の過程で崩壊する可能性が高く、これが準ミリ秒パulsarの希少性を説明する。
• 観測された準ミリ秒パulsarの不在は、コンパクト星が核物質で構成されている場合に一致しており、このような星が極めて極端な条件を満たすことでしかこのような高速回転を達成できないためである。