[論文レビュー] How well does GW170817 constrain the equation of state of dense matter

Ingo Tews, J. Margueron+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2018

Geological and Geophysical Studies被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、中性子星物質の状態方程式（EOS）を、核スケーリング密度を超える密度領域における重力波GW170817のデータと、キラル効果場理論に基づくものと組み合わせることで、高密度物質のEOSを制約する。最小限の滑らかさを持つEOSモデルと、相転移を許容する音速パラメータ化モデルを比較することで、GW170817は核スケーリング密度を超える領域におけるEOSの制約を顕著に改善しないことが判明した。これにより、組み合わせた潮汐極性率 $ ilde{ L} = 80\text{--}580$（最小モデルでは $280\text{--}480$）が予測され、$R_{1.4}$ は $9.0\text{--}13.6$ km に制約される。

ABSTRACT

The correlation of the tidal polarizabilities $\Lambda_1$-$\Lambda_2$ for GW170817 is predicted by combining dense-matter equations of state (EOSs) that satisfy nuclear physics constraints with the chirp mass and mass asymmetry for this event. Our models are constrained by calculations of the neutron-matter EOS using chiral effective field theory Hamiltonians with reliable error estimates up to once or twice the nuclear saturation density. In the latter case, we find that GW170817 does not improve our understanding of the EOS. We contrast two distinct extrapolations to higher density: a minimal model (MM) which assumes that the EOS is a smooth function of density described by a Taylor expansion and a more general model parametrized by the speed of sound that admits phase transitions. This allows us to identify regions in the $\Lambda_1$-$\Lambda_2$ plots that could favor the existence of new phases of matter in neutron stars. We predict the combined tidal polarizability of the two neutron stars in GW170817 to be $80\le ilde{\Lambda}\le 580$ ($280\le ilde{\Lambda}\le 480$ for the MM), which is smaller than the range suggested by the LIGO-Virgo data analysis. Our analysis also shows that GW170817 requires a NS with $M=1.4M_\odot$ to have a radius $9.0<R_{1.4}<13.6$~km ($ 11.3 <R_{1.4}< 13.6$~km for the MM).

研究の動機と目的

• GW170817が高密度の中性子-rich物質の状態方程式（EOS）をどの程度制約できるかを評価すること。
• GW170817の重力波データが核スケーリング密度を超える領域におけるEOSの制約を改善するかどうかを評価すること。
• 滑らかなEOSと相転移を許容するモデルの2つの外挿モデル（最小平滑EOSと音速パラメータ化）を比較し、相転移を示唆する潮汐極性率空間内の領域を特定すること。
• 質量 $M=1.4M_\odot$ の中性子星について、潮汐極性率 $\tilde{\Lambda}$ と半径 $R_{1.4}$ に対する定量的制約を導出すること。

提案手法

• 核スケーリング密度の2倍まで、誤差推定を伴うキラル有効場理論ハミルトニアンを用いて中性子物質のEOSを構築する。
• 核物理学的制約を適用して物理的に妥当な状態方程式を選択する。
• GW170817のチルプ質量と質量非対称性を用いて、二重星系における潮汐極性率 $\Lambda_1$ と $\Lambda_2$ を計算する。
• 2種類の異なる外挿モデルを実装する：最小モデル（MM）は密度における滑らかなテイラー展開を仮定し、一般モデルは音速パラメータ化により相転移を許容する。
• ベイズ推論を用いて、両モデル下での $\tilde{\Lambda}$ と $R_{1.4}$ の事後分布を計算する。
• LIGO-Virgoのデータ解析から推定された値と照らし合わせ、予測された $\tilde{\Lambda}$ の範囲が整合性を持っているかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GW170817は、核スケーリング密度を超える領域における高密度物質の状態方程式の制約を改善するか？
• RQ2 滑らかなEOSモデルと相転移を許容するモデルの2つを比較した場合、潮汐極性率の予測にどのような差が生じるか？
• RQ3 最小モデルと一般モデルの下で、組み合わせた潮汐極性率 $\tilde{\Lambda}$ と中性子星半径 $R_{1.4}$ の予測範囲はそれぞれどのようになるか？
• RQ4 予測された $\tilde{\Lambda}$ の値は、LIGO-Virgoのデータ解析で報告された値と整合性があるか？
• RQ5 $\Lambda_1$-$\Lambda_2$ 平面上のどの領域が、中性子星における潜在的な相転移を示唆するか？

主な発見

• GW170817の組み合わせた潮汐極性率は、$80 \leq \tilde{\Lambda} \leq 580$ の範囲に予測され、最小モデルでは $280 \leq \tilde{\Lambda} \leq 480$ となる。
• 予測された $\tilde{\Lambda}$ の範囲は、LIGO-Virgoのデータ解析から推定されたものより小さいため、潜在的な矛盾やモデル依存性が示唆される。
• 質量 $1.4M_\odot$ の中性子星について、半径は $9.0 < R_{1.4} < 13.6$ km に制約され、最小モデルでは $11.3 < R_{1.4} < 13.6$ km に tightened される。
• 最小モデルを用いた場合、GW170817は核スケーリング密度の2倍を超える領域におけるEOSの制約を顕著に改善しないことが判明した。
• $\Lambda_1$-$\Lambda_2$ 平面で滑らかでない挙動を示す領域は、中性子星における相転移の兆候である可能性が特定された。
• 音速パラメータ化モデルは、高密度領域における新たな相の存在を探索するための広範な可能性を提供し、新相が好まれる領域を強調している。