[論文レビュー] Neutron star cooling and GW170817 constraint within quark-meson coupling models

O. Lourenço, César H. Lenzi+7 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 126被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、GW170817重力波制約と中性子星冷却観測に対して、2つのオリジナルバッグポテンシャルに基づくものと、3つの調和振動子クォーク閉じ込めを用いた5つのクォーク-メソン結合（QMC）モデルを評価する。対称性エネルギー勾配とGW170817適合性との間に明確な相関は見られなかったが、対称性エネルギー勾配が高くなるほど冷却が速くなる強い相関が確認され、両方の制約と冷却データを同時に満たすモデルは存在しなかった。

ABSTRACT

In the present work we used five different versions of the quark-meson coupling (QMC) model to compute astrophysical quantities related to the GW170817 event and to neutron star cooling process. Two of the models are based on the original bag potential structure and three versions consider a harmonic oscillator potential to confine the quarks. The bag-like models also incorporate the pasta phase used to describe the inner crust of neutron stars. We show that the pasta phase always play a minor or negligible role in all studies. Moreover, while no clear correlation between the models that satisfy the GW170817 constraints and the slope of the symmetry energy is found, a clear correlation is observed between the slope and the fact that the cooling is fast or slow, i.e., fast (slow) cooling is related to higher (lower) values of the slope. We did not find one unique model that can describe, at the same time, GW170817 constraints and give a perfect description of the possible cooling processes.

研究の動機と目的

• GW170817による潮汐歪みと質量-半径関係に関する制約と、5つのQMCモデルの整合性を評価すること。
• 中性子星内部皮膚におけるパスタ相の役割と、潮汐極性率および冷却に与える影響を調査すること。
• 一意のQMCモデルが、GW170817の制約を満たし、観測された中性子星冷却行動を再現できるかどうかを特定すること。
• 異なるQMC形式における対称性エネルギー勾配が冷却ダイナミクスおよび潮汐特性に与える影響を調査すること。
• 冷却シミュレーションにおける付着大気の影響を評価すること。

提案手法

• 2つのバッグポテンシャル（ωρ相互作用を含む）と3つの調和振動子クォーク閉じ込めを用いた5つのQMCモデル変種を採用した。
• スカラー（σ）、ベクトル（ω、ρ）、および擬スカラー（π）メソン場を組み込んだ平均場近似を用いて状態方程式（EOS）を計算した。
• バッグベースのモデルでは、不均一核物質構造をモデル化するため、内部皮膚にパスタ相を組み込んだ。
• GW170817の事後分布制約と比較するため、1.4 M☉の中性子星の潮汐極性率（Λ）とラブ数を計算した。
• URCA過程、フォノン放出、および光子放出メカニズムを用いた熱的進化シミュレーションを実施し、冷却をモデル化した。
• 表面温度の観測との一致を改善するために、10⁻¹⁰ M☉の付着大気が表面温度進化に与える影響をテストした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのQMCモデル変種がGW170817による潮汐歪みと質量-半径関係の制約を満たしているか？
• RQ2 対称性エネルギー勾配は、QMCモデルがGW170817制約を満たす能力とどのように相関しているか？
• RQ3 パスタ相は、中性子星の潮汐極性率および冷却速度にどのように寄与しているか？
• RQ4 GW170817制約と観測された中性子星冷却行動を同時に記述できる一意のQMCモデルが存在するか？
• RQ5 付着大気は、QMCベースのモデルにおける表面温度進化および冷却速度にどのように影響を与えるか？

主な発見

• GW170817の標準的1.4 M☉中性子星の90%信用区間内に収まる潮汐歪み値を生成したのは、QMC ωρおよびMQMC3の2つのモデルに限られていた。
• 対称性エネルギー勾配とモデルがGW170817制約を満たす能力との間に明確な相関は確認されなかった。
• 対称性エネルギー勾配と冷却速度の間に強い相関が存在する：勾配が大きいほど冷却が速く、勾配が小さいほど冷却が遅い。
• パスタ相は、潮汐極性率および冷却にわずかな影響を与えるが、超伝導性を除いた場合、冷却を約3.5年だけ加速するにとどまる。
• QMC（パスタを含む）およびMQMC2モデルが観測データと最も一致がよかったが、最高の観測表面温度を完全に再現するモデルは存在しなかった。
• わずかな10⁻¹⁰ M☉の付着大気は表面温度の一致を改善したが、黒体放射の増強により、後期冷却が加速された。