[論文レビュー] Impacts of NICER's Radius Measurement of PSR J0740+6620 on Nuclear Symmetry Energy at Suprasaturation Densities

Naibo Zhang, Bao-An Li|arXiv (Cornell University)|May 23, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 9被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、質量が 2.08 ± 0.07 M⊙、68% 確信度で R_{2.01} ≥ 12.2 km の巨大中性子星 PSR J0740+6620 の NICER 測定半径を用いて、3次元の逆問題解法により、超飽和密度における核対称性エネルギーを制約する。この結果、1.0～3.0 ρ₀ の密度範囲において陽子ポラロンを伴う超軟らかな対称性エネルギーのモデルは除外される。

ABSTRACT

By directly inverting several neutron star observables in the three-dimensional parameter space for the Equation of State of super-dense neutron-rich nuclear matter, we show that the lower radius limit $R_{2.01}\geq 12.2$ km at 68\% confidence level for PSR J0740+6620 of mass $2.08\pm 0.07~M_{\odot}$ from Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER)'s very recent observation sets a much tighter lower boundary than previously known for nuclear symmetry energy in the density range of $(1.0\sim 3.0)$ times the saturation density $ ho_0$ of nuclear matter. The super-soft symmetry energy leading to the formation of proton polarons in this density region of neutron stars is firmly ruled out by the first radius measurement for the most massive neutron star observed reliably so far.

研究の動機と目的

• 現在までに観測された最も質量の大きな中性子星を用いて、超飽和密度における核対称性エネルギーを制約すること。
• 中性子星内で陽子ポラロン形成を予測する超軟らかな対称性エネルギーモデルの妥当性を評価すること。
• NICER の半径データを多次元的に逆問題として処理することにより、中性子-rich 核物質の状態方程式に関する制約を強化すること。
• 質量が大きな中性子星の半径に対するより厳密な下限を確立し、対称性エネルギーの振る舞いに関する不確実性を低減すること。

提案手法

• 方程式状態のパrameter空間において、中性子星の観測量（質量および半径）の3次元逆問題を実行する。
• NICER による PSR J0740+6620 の測定結果から、1.0～3.0 ρ₀ の密度範囲における対称性エネルギー関数形への観測的制約をマッピングする。
• 統計的信頼水準（68%）を用いて、2.01 M⊙ における半径の下限を導出する。
• 観測された半径制限と対称性エネルギーモデルの整合性を評価し、特に超軟らかな振る舞いの有無をテストする。
• 超軟らかな対称性エネルギーの物理的兆候としての陽子ポラロン形成を評価し、半径制限を満たす場合にその存在が除外される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NICER による PSR J0740+6620 の半径測定は、超飽和密度における核対称性エネルギーにどのような制約を課すか？
• RQ2 陽子ポラロン形成を予測する超軟らかな対称性エネルギーモデルは、PSR J0740+6620 の観測半径と整合的か？
• RQ3 R_{2.01} ≥ 12.2 km の半径下限は、状態方程式の許容可能なパラメータ空間にどのような影響を与えるか？
• RQ4 最も質量の大きな中性子星の半径は、1.0～3.0 ρ₀ の密度範囲における対称性エネルギーの振る舞いにどのような影響を与えるか？

主な発見

• PSR J0740+6620 の 2.01 M⊙ における半径は、68% 確信水準で R_{2.01} ≥ 12.2 km に制約されている。
• この半径制限により、1.0～3.0 ρ₀ の密度範囲における対称性エネルギーの下限が、これまでの知識よりも著しく厳しくなる。
• 陽子ポラロン形成を予測する超軟らかな対称性エネルギーモデルは、観測された半径制限によって明確に除外される。
• 結果から、質量の大きな中性子星が 12.2 km よりも小さくない半径を保てるようにするには、超飽和密度において十分に硬い対称性エネルギーである必要があることが示唆される。