[論文レビュー] Dense Matter in Neutron Star: Lessons from GW170817

Sarmistha Banik, Debades Bandyopadhyay|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、GW170817における中性子星合体からのマルチメッセンジャーデータを用いて、中性子星内の高密度物質の状態方程式（EoS）を調査する。密度依存性相対論的ハドロン場理論を適用した結果、Λハイポトンを含むBHB Λφ EoSが、観測された中性子星最大質量の上限（約2.16 M⊙）および潮汐歪み率と最も整合しており、検証されたモデルの中で最もあり得るEoSであると判明した。

ABSTRACT

Neutron star merger event GW170817 sets an upper limit on the maximum mass of non-rotating neutron stars. Consequently, this event puts strong constraints on the dense matter equation of state (EoS). A comparative study of dense matter equations of state (EoSs) is presented here. It is found that the $Λ$ hyperon EoS BHB$Λϕ$ (Banik, Hempel $\&$ Bandyopadhyay 2014) constructed within the framework of the density dependent hadron field theory is favoured.

研究の動機と目的

• GW170817からのマルチメッセンジャーデータを用いて、中性子星内高密度物質の状態方程式（EoS）を制約すること。
• 特にハイポトンを含むEoSモデルが、中性子星最大質量に関する観測的制約と整合しているかどうかを評価すること。
• 2.16 M⊙の最大質量上限（2.16 M⊙）およびGW170817からの潮汐歪み率の両方を満たすEoSを特定すること。
• ハイポトン、特にΛハイポトンがEoSを軟化させ、中性子星構造に与える影響を評価すること。
• 現在の天体物理学的制約を踏まえて、BHB Λφ EoSをLS220、APR4、SFHo、DD2など広く用いられる他のEoSと比較すること。

提案手法

• 密度依存性相対論的ハドロン場理論（DDRH）を用いて、Λハイポトンと物質中効果を組み込んだBHB Λφ EoSを構築する。
• 非一様物質の低密度領域（飽和密度未満）を記述するため、拡張された核統計平衡（NSE）モデルを適用する。これには核、核子、およびレプトンが含まれる。
• 核子間相互作用には相対論的平均場（RMF）近似を用い、クーロン力、スクリーニング効果、除外体積効果を考慮する。
• 非一様物質の標準分配関数を計算し、束縛されていない核子、核、およびクーロン相互作用の寄与を含める。
• 観測的制約（PSR J09708+0534からの最大質量下限2.01 M⊙およびGW170817から導かれた上限2.16 M⊙）とEoS予測を比較する。
• GW170817からの潮汐歪み率を評価し、EoSモデルをさらに制約し、硬すぎるまたは整合性のないEoSを除外する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GW170817から導かれた非回転中性子星の最大質量上限と整合する、高密度中性子星物質の状態方程式はどれか？
• RQ2 異なるEoSの核物質の性質（飽和密度、対称性エネルギー、体積弾性率、勾配）は、実験的制約とどのように一致するか？
• RQ3 Λハイポトンを含めることで、中性子星EoSの硬さおよび最大質量にどのような影響が生じるか？
• RQ4 どのEoSがGW170817で観測された潮汐歪み率と、パulsar観測からの質量制約の両方と最もよく一致するか？
• RQ5 なぜBHB Λφ EoSは、DD2、APR4、LS220などの他のハイポトンを含むEoSや核子のみのEoSよりも好まれるのか？

主な発見

• DDRHフレームワークに従い、Λハイポトンを含むBHB Λφ EoSは、GW170817から導かれた中性子星最大質量の上限（2.16 M⊙）と整合している。
• このEoSは、GW170817から推定された潮汐歪み率とも整合しており、LS220、APR4、H4のような硬すぎるEoSは除外される。
• 検証されたEoSの中で、BHB Λφ、SFHo、DD2のみが実験的数値に近い核物質の性質を持つが、DD2は質量制限によって除外される。
• LS220、MS1、APR4、H4のEoSは、体積弾性率（K）や対称性エネルギー勾配（L）に関する実験的制約と整合せず、物理的に不自然な硬さまたは軟らかさを示す。
• BHB Λφ EoSは最大質量2.11 M⊙を予測し、観測的範囲（2.01–2.16 M⊙）内に収まる。
• 本研究は、BHB Λφ EoSにΛハイポトンを含めることで、観測と整合するが質量および潮汐制約に反しない軟化効果が得られると結論づける。