[論文レビュー] Effect of the symmetry energy and hyperon interaction on neutron stars

Daniel Pessoa da Silva Bizarro, Aziz Rabhi+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2015

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、相対論的平均場理論フレームワークを用いて、対称性エネルギーの密度依存性およびハイペロン相互作用が中性子星の性質に与える影響を調査する。その結果、2 M☉の中性子星を達成するためには、ハイペロン-ハイペロン相互作用が反発的で、対称性エネルギーの勾配L ≈ 80 MeVであることが不可欠であることが判明した。一方、吸引的Σポテンシャルがあると、1 M☉程度の軽い星に対しても奇抜な性質が現れる。また、中性子星の半径は、約10.5 km/単位の奇抜性で、奇抜性分率と線形相関があることが示された。

ABSTRACT

The joint effect of the density dependence of the symmetry energy and strangeness content on the structure of cold neutron stars is studied within the framework of a relativistic mean field theory. It is shown that 2$M_\odot$ are obtained for repulsive $YY$ interaction and preferably for a small or a large slope $L$. An attractive $Σ$ potential in nuclear matter will favor the appearance of strangeness in stars with a mass as small as $\sim 1 M_\odot$, if, however it is repulsive only stars with a mass $\gtrsim 1.4 M_\odot$ will contain strangeness. The joint effect of reducing the symmetry energy slope and including hyperons is to farther reduce the radius. Neutron star maximum mass evolve non-monotonically with the symmetry energy slope, and the smallest masses are obtained for values $L\sim 80$ MeV. Other neutron star variables evolve nonlinearly with the slope of the symmetry energy and depend on the hyperon-nucleon and hyperon-hyperon couplings. The radius of a neutron star is linearly correlated with the neutron star total strangeness fraction and the slope is independent of the slope of the symmetry energy and the mass of the star.

研究の動機と目的

• 対称性エネルギーの密度依存性とハイペロン相互作用の共同的影響が中性子星構造に与える影響を調査すること。
• ハイペロンを含む中で2 M☉に達する中性子星が成立する条件を特定すること。
• 核物質中のΣハイペロンポテンシャルが、奇抜性の出現に与える影響を評価すること。
• 中性子星の半径と全奇抜性分率との間の線形相関を検討すること。
• 質量、半径、奇抜性含量を決定づける対称性エネルギー勾配（L）およびハイペロン結合パラメータの役割を評価すること。

提案手法

• 非線形σρおよびωρ項を含む相対論的平均場（RMF）ラグランジアンを用い、対称性エネルギーの密度依存性を調整し、Lを50から110 MeVの範囲で変化させた。
• ベースラインとしてTM1パラメータを用い、φおよびρメソンのSU(6)対称性と破れたSU(6)ケースを含むハイペロン結合の変種を導入した。
• ハイペロン-シグマ結合を、核物質中でのΛポテンシャル−28 MeVに基づいて定義し、さまざまなΣおよびΞポテンシャル（吸引的から反発的まで）をテストした。
• 吸引的ハイペロン-ハイペロン相互作用をモデル化するために、隠れた奇抜性を持つσ*メソンを1つのパラメータ化に組み込んだ。
• 各パラメータ化について、中性子星質量、半径、中心密度を計算するために、Tolman-Oppenheimer-Volkoff方程式を数値的に解いた。
• さまざまな質量およびL値において、半径と全奇抜性分率との間の線形相関を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 対称性エネルギー勾配Lとハイペロン-ハイペロン相互作用が、中性子星の最大質量に与える共同効果は何か？
• RQ2 核物質中のΣハイペロンポテンシャルが、中性子星における奇抜性の出現に与える影響は何か？
• RQ3 中性子星の半径は、全奇抜性分率と線形相関があるのか？この勾配はLや星の質量に依存しないのか？
• RQ4 ハイペロンを含む中で2 M☉の中性子星を達成できるか？そのために必要なハイペロン相互作用の条件は何か？
• RQ5 ハイペロン結合の異なるパラメータ化が、質量-半径関係および中性子星の中心密度に与える影響は何か？

主な発見

• 2 M☉の中性子星を達成するためには、ハイペロン-ハイペロン（YY）相互作用が反発的であることが不可欠であり、特に中程度の対称性エネルギー勾配と組み合わせて重要である。
• 最大中性子星質量は、対称性エネルギー勾配Lに非単調に依存し、L ≈ 80 MeVで最小値を示す。
• 核物質中の吸引的Σポテンシャルがあると、奇抜性が約1 M☉の軽い星に対しても現れるが、反発的Σポテンシャルでは奇抜性はM ≳ 1.4 M☉の星に限定される。
• 中性子星の半径は、全奇抜性分率と線形相関があり、勾配は約10.5 km/単位の奇抜性で、Lや星の質量に依存しない。
• Lを110 MeVから50 MeVに低下させると、吸引的YY相互作用を有するハイペロン星では2 M☉の中性子星の半径が最大1 km減少するが、核子星では約0.5 kmにとどまる。
• 本研究では、高密度領域における対称性エネルギーの密度依存性を制約することが、中性子星観測の解釈に極めて重要であることが確認された。これは、質量、半径、奇抜性含量に顕著な影響を与えるからである。