[論文レビュー] Estimating the values and variations of neutron star observables by dense nuclear matter properties

Péter Pósfay, G. G. Barnaföldi+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2020

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

ひとこと要約

本研究では、拡張されたσ–ω模型における核物質パラメータが中性子星の観測量（質量および半径）に与える影響を、Tolman–Oppenheimer–Volkoff方程式を用いて調査する。Landau有効質量が支配的要因であることが特定され、圧縮率や対称性エネルギーに比べて10倍以上影響が大きい。これにより、理論的不確実性を定量化した高品質な質量中性子星の半径予測が可能になる。

ABSTRACT

Recent NICER observation data on PSR J0030+0451 has recently added a unique mass-radius constraint on the properties of the superdense nuclear matter existing in the interior of compact stars. Such a macroscopic data restrict further the microscopical models, elementary interactions, and their parameters, however, with reasonable margin because of the masquarade problem. Here our goal is to identify the origin and quantify the magnitude of the theoretical uncertainties of the nuclear matter models. A detailed study on the effect of different interaction terms and the nuclear parameter values in the Lagrangian of the extended $σ$-$ω$ model is presented here. The equation of state was inserted to the Tolman--Oppenheimer--Volkoff equation and observable parameters of the neutron star were calculated. We identified, that the optimal Landau effective mass is the most relevant physical parameter modifying the macroscopic observable values. Moreover, the compressibility and symmetry energy terms just generate one-one order of magnitude smaller effect to this, respectively. We calculated the linear relations between the maximal mass of a compact star and these microscopic nuclear parameter values within the physical relevant parameters range. Based on the mass observational data we estimated the magnitude of the radii of PSR J1614-2230, PSR J0348+0432, and PSR J0740+6620 including theoretical uncertainties arising from the models' interaction terms and their parameter values choices.

研究の動機と目的

• 核物質モデルパラメータが中性子星の巨視的観測量（質量および半径）に与える影響を定量化すること。
• マスカレード問題に対処し、中性子星の性質に最も顕著に影響を与える微視的パラメータを同定すること。
• 拡張されたσ–ω模型における相互作用項およびパラメータ値の選択に起因する理論的不確実性が、中性子星半径予測に及ぼす影響を推定すること。
• 物理的に妥当な範囲内で、中性子星最大質量と主要核パラメータとの間の線形関係を提供すること。
• PSR J1614−2230、J0348+0432、J0740+6620の高質量パルサーの半径を、関連する理論的不確実性とともに予測すること。

提案手法

• 3つの相互作用項（σ–N、ω–N、ρ–N結合）を含む平均場近似における拡張σ–ω模型を採用。
• 3次および4次までのスカラー自己相互作用を導入し、飽和性質を改善した複数のパラメータセットに対して状態方程式（EoS）を計算。
• 導出されたEoSを用いてTolman–Oppenheimer–Volkoff（TOV）方程式を解き、中性子星の質量–半径（M–R）図を算出。
• 核パラメータ（Landau有効質量、圧縮率K、対称性エネルギーasym）を変動させた感度分析を実施。
• 物理的範囲内で、最大中性子星質量と微視的パラメータとの間の線形近似を用いる。
• パルサー質量測定値（PSR J1614−2230、J0348+0432、J0740+6620）からの観測不確実性を伝搬させ、半径不確実性を推定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有効場理論におけるどの核物質パラメータが、中性子星の質量および半径予測に最も強く影響を与えるか？
• RQ2 Landau有効質量、圧縮率、対称性エネルギーの変動が、中性子星の最大質量および半径にどのように影響を与えるか？
• RQ3 状態方程式（EoS）における理論的不確実性は、どの程度定量化され、観測可能な中性子星パラメータに伝搬されるか？
• RQ4 物理的に妥当な範囲内で、中性子星最大質量と主要核パラメータとの間の線形関係を確立できるか？
• RQ5 PSR J1614−2230、J0348+0432、J0740+6620の高質量パルサーの予測半径（モデル依存の不確実性を含む）は何か？

主な発見

• Landau有効質量が最も顕著な影響を示し、最大中性子星質量に及ぼす影響は、圧縮率や対称性エネルギーに比べて10倍以上大きい。
• 圧縮率および対称性エネルギーの各項は、最大質量の変動に寄与する割合がLandau有効質量に比べて約1桁小さい。
• 最大中性子星質量とLandau有効質量との間に線形関係を確立し、最良適合値として$ m_L = 786.75 \pm 7.77 $ MeVを得た。
• PSR J1614−2230の予測半径は$ 11.54 \pm 1.22 $ kmであり、モデルパラメータの選択に起因する理論的不確実性を含む。
• 線形近似を用いることで、パルサー（例：PSR J1614−2230）の観測最大質量を2桁の精度で再現できた。
• 結果は核物理学データおよび以前のベイズ解析と整合的であり、マスカレード問題が存在するにもかかわらず、モデルの予測能力が裏付けられた。