[論文レビュー] Looking inside neutron stars: Microscopic calculations confront observations

Aleksi Kurkela, Paul Romatschke+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2010

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、核子密度に達するまでのハドロン相における最先端の微視的計算と、高密度領域における摂動的QCDを用いて、熱力学的に整合性のある中性子星内部の状態方程式（EoS）を構築する。このEoSは、微調整なしに現在の観測データ（質量・半径）を再現でき、2.1 M⊙までの安定な星を予測し、混合相やハイペロンを含むモデルよりも、大きなクォークコアを有するモデルを支持する。

ABSTRACT

While QCD appears not to be accurately solvable in the regime of interest for neutron star physics, microscopic calculations are feasible at both low and very high densities. In this work, we propose using the most realistic calculations in these two regimes of nuclear physics and perturbative QCD, and construct equations of state by matching the results requiring thermodynamic consistency. We find that the resulting equations of state --- in contrast to several hadronic ones --- are able to reproduce current observational data on neutron stars without any fine tuning, and allow stable hybrid stars with masses up to 2.1M_{sun}. Using recent observations of star radii, we perform a maximum likelihood analysis to further constrain the equation of state, and in addition show that the effects of rotation on radii and masses should not be neglected in future precision studies.

研究の動機と目的

• 低密度および高密度領域における微視的計算を組み合わせることで、中性子星内部の熱力学的に整合性のある状態方程式（EoS）を構築すること。
• このようなEoSが、パラメータの微調整なしに現在の天体物理学的観測（質量・半径）を再現できるかどうかを検証すること。
• 観測的制約のもとで、クォークコアを有するハイブリッド中性子星および混合相の妥当性を評価すること。
• 星の回転が半径および質量測定に与える影響を評価し、今後の高精度解析において回転効果を組み込む必要性を強調すること。

提案手法

• 著者らは、利用可能な最も正確な微視的計算を用いる：核子密度に達するまでのハドロン物質に対してMany-body理論（n_sat = 0.16 fm⁻³まで）、高密度領域におけるクォーク・グルーオン物質に対して三ループ摂動的QCD。
• ハドロン相とクォーク相のEoSを、一致する化学ポテンシャルμ_matchで接続し、相転移にわたる熱力学的整合性を確保する。
• クォーク相のEoSは、走行するストレンジクォーク質量を含む三ループ摂動的QCDから導出され、MITバッグモデルの簡略化を避ける。
• 不確実性を制限するために、ハドロン相はAkmal, Prakash, and Glendenning（1998）の3つの現実的EoSに加え、ハイペロンおよびカリオン凝縮モデルを制約条件として用いる。
• 観測された質量および半径（例：4U1724-307, SAXJ1808.4-3658）を用いた最尤推定を行い、χ²を最小化することでEoSの適合度を評価する。
• 回転する中性子星モデルはStergioulasコードを用いて計算され、600 Hzを超える回転速度における極半径および赤道半径の差を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハドロン相とクォーク・グルーオン相における微視的計算を一致させることで、微調整なしに熱力学的に整合性のある状態方程式を構築できるか？
• RQ2 現在の質量・半径観測データと整合する中性子星EoSはどれであり、どのEoSは除外されるか？
• RQ3 回転効果を含めると、高精度解析における半径および質量の推定値に顕著な影響を与えるか？
• RQ4 クォークコアを有するハイブリッド中性子星の最大安定質量は何か？また、混合相の有無にどのように依存するか？
• RQ5 観測データに最もよく適合するEoSパラメータ（例：クォークギャップΔ、一致化学ポテンシャル）は何か？

主な発見

• 構築されたハイブリッド状態方程式は、微調整なしに現在の観測データを再現でき、選択されたデータセットに対して最良の適合EoSではχ²が4.42となった。
• ハイペロンやカリオン凝縮を含むハドロンEoSは観測データによって除外された。これは、観測された半径および質量を再現できないためである。
• 2.1 M⊙までの安定なハイブリッド中性子星は可能であるが、クォークコアが大きく、ハドロンの外皮が薄いかぎりである。混合相を有する星では最大質量が低下し（≤1.93 M⊙）、それより小さくなる。
• 1.5 M⊙の中性子星では、半径は10.8 kmから13.5 kmの範囲を示し、最良の適合EoSでは13.1 kmを予測した。
• 回転は半径測定に顕著な影響を与える：600 Hzを超える回転速度の星では、極半径と赤道半径の差が顕著であり、今後の高精度解析において回転効果を組み込む必要があることを示している。
• 分析から、非回転を仮定することは、特に高速回転の中性子星において半径推定に系統的誤差を生じることを示した。