[論文レビュー] Nuclear constraints on gravitational waves from deformed pulsars

Plamen Krastev, Bao-An Li|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、地上実験からの核状態方程式（EOS）制約を用いて、15個の楕円形に歪んだミリ秒パulsarからの重力波歪み振幅の最大値を推定している。歪み振幅は $[0.2-31.1] \times 10^{-24}$ の範囲にあり、表面破壊ひずみの楽観的仮定のもとではLIGO/VIRGOによる検出が可能である可能性を示唆しているが、EOS、表面強度、およびパルサーパラメータに関する顕著な不確実性が指摘されている。

ABSTRACT

The recent direct detection of gravitational waves (GWs) from binary black hole mergers (2016, Phys. Rev. Lett. 116, no. 6, 061102; no. 24, 241103) opens up an entirely new non-electromagnetic window into the Universe making it possible to probe physics that has been hidden or dark to electromagnetic observations. In addition to cataclysmic events involving black holes, GWs can be triggered by physical processes and systems involving neutron stars. Properties of neutron stars are largely determined by the equation of state (EOS) of neutron-rich matter, which is the major ingredient in calculating the stellar structure and properties of related phenomena, such as gravitational wave emission from elliptically deformed pulsars and neutron star binaries. Although the EOS of neutron-rich matter is still rather uncertain mainly due to the poorly known density dependence of nuclear symmetry energy at high densities, significant progress has been made recently in constraining the symmetry energy using data from terrestrial nuclear laboratories. These constraints could provide useful information on the limits of GWs expected from neutron stars. Here after briefly reviewing our previous work on constraining gravitational radiation from elliptically deformed pulsars with terrestrial nuclear laboratory data in light of the recent gravitational wave detection, we estimate the maximum gravitational wave strain amplitude, using an optimistic value for the breaking strain of the neutron star crust, for 15 pulsars at distances 0.16 kpc to 0.91 kpc from Earth, and find it to be in the range of $\sim[0.2-31.1] imes 10^{-24}$, depending on the details of the EOS used to compute the neutron star properties. Implications are discussed.

研究の動機と目的

• 現在のLIGO/VIRGOの感度を用いて、楕円形に歪んだパルサーからの連続的重力波の検出可能性を評価すること。
• 特に核対称エネルギーの密度依存性を含む、核実験データに基づく重力波放射の制約を求める。
• 中性子星表面強度、状態方程式、パルサーパラメータの不確実性が予測される歪み振幅に与える影響を評価すること。
• 理論的予測と比較して、検出が確認されていない理由を説明すること。

提案手法

• 地上核データで制約けたMDI（修正ディラック＝ブルーナー＝ハルトリー）状態方程式を用いて、中性子星構造をモデル化した。
• 近似式 $ h_0 \sim \Phi_{22} \nu^2 / r $ を用いて、最大の四重極モーメントと重力波歪み振幅を計算した。ここで $ \Phi_{22} $ は質量四重極モーメントである。
• 最大の歪みを推定するために、楽観的な表面破壊ひずみ $ \sigma = 0.1 $ を適用した。
• 回転周波数が300 Hz未満の15個のパルサーを、距離0.16〜0.91 kpcの範囲で評価した。
• 予測された歪み振幅を、現在のLIGOおよびVIRGO検出器の感度と比較した。
• 中性子星質量、EOSの詳細、距離の不確実性の変動が結果に与える感度を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 核状態方程式（EOS）の制約に基づいて、楕円形に歪んだミリ秒パルサーから予想される最大の重力波歪み振幅は何か？
• RQ2 中性子星表面破壊ひずみの不確実性は、重力波の予想される検出可能性にどのように影響するか？
• RQ3 状態方程式および中性子星質量の変動が、予測される歪み振幅にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 理論的には検出可能な歪みレベルが予想されているにもかかわらず、なぜ重力波信号が検出されていないのか？
• RQ5 現在の検出器感度は、これらの源の予測歪み振幅の上限と比べてどの程度か？

主な発見

• 15個のパルサーからの最大の重力波歪み振幅は、使用された状態方程式に応じて $[0.2-31.1] \times 10^{-24}$ の範囲に推定された。
• 最大の歪み推定値 $31.1 \times 10^{-24}$ は、特に $ \sigma = 0.1 $ の最大表面破壊ひずみを仮定した最も楽観的な条件下で得られた。
• 歪み振幅は中性子星質量が増加するにつれて減少し、質量の大きなパルサーは弱い重力波を放出することが示唆された。
• LIGO/VIRGOによる検出がなされていないのは、表面強度に関する楽観的仮定が原因である可能性が高く、理論的推定値 $ \sigma $ は最大で4桁の範囲で変動する。
• 距離の不確実性が2〜3倍まであり、四重極モーメントの簡易モデル化もさらに検出可能性を低下させる。
• より信頼性の高い予測を行うためには、アインシュタイン方程式の完全数値解を用いた質量四重極モーメントの高精度化が不可欠である。