[論文レビュー] Determination of the symmetry energy from the neutron star equation of state

Pedro Barata de Tovar, Márcio Ferreira+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 55被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、中性子星 $β$-平衡状態方程式（EOS）から対称性エネルギーと陽子分率を抽出する際の不確実性を調査し、ミューオンの寄与を無視する、あるいは放物近似を超える高次非対称性項を無視することで、陽子分率で最大15%の誤差、対称性エネルギーの過大評価が生じることを示している。研究は、正確な対称性エネルギーの抽出には、特に飽和密度付近でミューオンと高次非対称性項を含める必要があることを示している。

ABSTRACT

We analyze the uncertainties introduced in the determination of the neutron star matter proton fraction, in a range of densities close to the saturation density, if the cold $β$-equilibrium neutron star matter equation of state (EoS) is known. In particular, we discuss the effect of neglecting the muon contribution and of considering that the energy density of nuclear matter is well described by taking only terms until second order in the proton-neutron asymmetry. It is shown that two types of uncertainties may be associated with the extraction of the symmetry energy from the $β$-equilibrium equation of state: an overestimation if terms above the parabolic approximation on the asymmetry parameter are neglected, or an underestimation if the muon contribution is not considered. The effect of the uncertainty on the symmetric nuclear matter EoS on the determination of the proton fraction is discussed. It could be shown that the neutron star mass-radius curve is sensitive to the parabolic approximation on the asymmetry parameter.

研究の動機と目的

• 中性子星物質の状態方程式における近似が、対称性エネルギーと陽子分率の決定に与える影響を評価すること。
• 中性子星物質の $β$-平衡状態において、ミューオン寄与を無視した場合の陽子分率と対称性エネルギーに与える影響を定量化すること。
• 非対称性パラメータにおける放物近似の妥当性を評価し、対称性エネルギー抽出に与える影響を検討すること。
• 質量-半径関係が、対称性エネルギーおよび対称核物質EOSにおける高次項にどれほど敏感であるかを検討すること。
• DD2のような基準モデルにフィットした場合、EOSのテイラー展開が、主要な中性子星の性質を信頼性を持って再現できるかどうかを特定すること。

提案手法

• DD2相対論的平均場EOSを基準として、正確な $β$-平衡状態における陽子分率と対称性エネルギーを計算する。
• ミューオンを含む完全な $β$-平衡計算の結果と、ミューオンを無視する近似の結果を比較する。
• 飽和密度の周りで、対称核物質のエネルギー/核子と対称性エネルギーのテイラー展開を実施し、4次および6次までテストする。
• DD2 EOSに合わせてテイラー展開係数をフィットし、それらの物理的解釈と質量-半径関係の再現精度を評価する。
• 密度関数としての陽子分率と対称性エネルギーを、正確な処理と近似処理で比較する。
• 質量-半径曲線が、非対称性パラメータおよび対称核物質展開における高次項にどれほど敏感であるかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子星物質の $β$-平衡状態において、ミューオン寄与を無視すると、飽和密度付近での抽出された陽子分率と対称性エネルギーにどのような影響が生じるか？
• RQ2 非対称性パラメータにおける放物近似が、中性子星物質の対称性エネルギーと陽子分率をどれほど歪めるか？
• RQ3 飽和密度の周りで対称核物質エネルギーと対称性エネルギーをテイラー展開した場合、中性子星の質量-半径関係を正確に再現できるか？
• RQ4 非対称性パラメータにおける2次以上の高次項（四次以上）が、対称性エネルギーと陽子分率に与える影響は何か？
• RQ5 対称核物質EOSにおける不確実性が、$β$-平衡条件からの対称性エネルギーの決定にどのように伝播するか？

主な発見

• ミューオンを無視すると、飽和密度付近では陽子分率が7%低く見積もられ、ミューオン生成域を超えると10–15%にまで増加する。
• 放物近似は、正の高次非対称性項（例：$S_4$）を有効非対称性に組み込むことで、対称性エネルギーを過大評価する。
• 2次以上の高次非対称性項を無視すると、有効非対称性が増加するため、陽子分率は約7%低く見積もられる。
• 質量-半径曲線は、4次項に敏感であるが、6次項には敏感でないため、4次以降では利得が著しく減少する。
• 対称核物質エネルギーと対称性エネルギーの両方を4次までテイラー展開すれば、DD2の質量-半径曲線を10%の不確実性内に再現可能である。
• DD2 EOSに合わせてテイラー展開係数をフィットすれば、十分な項数を含めれば、飽和密度以下での対称性エネルギーを10%以内に回復可能である。