[論文レビュー] Nuclear limits on properties of pulsars and gravitational waves

Plamen Krastev, Bao-An Li|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2010

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 9被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、中性子星に特有の物質の状態方程式（EOS）を制約するため、核実験室のデータを用い、高速回転するパルサーの性質および重力波信号の予測に応用している。地上の重イオン実験データと一般相対性理論モデルを組み合わせることで、ミリ秒パルサーにおける重力波歪みおよび非球面度の、初めての直接的な核物理学的制約が得られ、距離やEOSに応じて歪みの上限は $2.24 \times 10^{-27}$ から $1.5 \times 10^{-24}$ の範囲にわたる。

ABSTRACT

Pulsars are among the most mysterious astrophysical objects in the Universe and are believed to be rotating neutron stars formed in supernova explosions. They are unique testing grounds of dense matter theories and gravitational physics and also provide links among nuclear physics, particle physics and General Relativity. Neutron stars may exhibit some of the most extreme and exotic characteristics that could not be found elsewhere in the Universe. Their properties are largely determined by the equation of state (EOS) of neutron-rich matter, which is the chief ingredient in calculating neutron star structure and properties of related phenomena, such as gravitational wave emission from deformed pulsars. Presently, the EOS of neutron-rich matter is still very uncertain mainly due to the poorly known density dependence of the nuclear symmetry energy especially at supra-saturation densities. Nevertheless, significant progress has been made recently in constraining the density dependence of the nuclear symmetry energy mostly at sub-saturation densities using terrestrial nuclear reactions. While there are still some uncertainties especially at supra-saturation densities, these constraints could provide useful information on the limits of the global properties of pulsars and the gravitational waves to be expected from them. Here we review our recent work on constraining properties of pulsars and gravitational radiation with data from terrestrial nuclear laboratories.

研究の動機と目的

• 地上の重イオン反応データを用いて、中性子過剰物質の状態方程式（EOS）を制約すること。
• 急速回転が中性子星の構造、質量、半径、慣性モーメントに与える影響を調査すること。
• 核物理学的制約を用いて、非球面に歪んだパルサーからの重力波歪みおよび非球面度の上限を予測すること。
• 核物理学実験と、パルサーの回転減速率や重力波放射といった天体物理学的観測量を結びつけること。
• 核データに基づくモデルに依存しない上限を設定することで、地上重力波検出器の運用に指針を提供すること。

提案手法

• 最近の地上重イオン反応データによる対称性エネルギーに関する制約を一部含む4つの核子EOSモデル（MDIを含む）を採用する。
• 一般相対性理論におけるTolman-Oppenheimer-Volkoff方程式を解き、静止および回転する中性子星構造をモデル化する。
• ゆっくり回転近似と相対論的回転星形式を用いて、慣性モーメントおよびクリース分率を計算する。
• ゆっくりおよび急速に回転する星に対して、重力波歪みと非球面度および回転周波数の関係を定式化する。
• 観測された回転減速パワーとEOS依存の慣性モーメントを用いて、パルサーの回転減速率から重力波歪みの上限を導出する。
• 重力波放射が主な回転減速機構であると仮定し、特定のパルサー（例：PSR B1937+21、J1748-2446ad）の最大非球面度および歪み振幅を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地上の重イオン実験から得られる中性子過剰物質の状態方程式（EOS）の制約は何か。また、それらは中性子星の性質にどのように影響を与えるか。
• RQ2 急速回転は、非回転モデルと比較して、中性子星の最大質量、半径、慣性モーメントにどのように影響を与えるか。
• RQ3 核物理学的制約に基づくEOSを用いた場合、既知のミリ秒パルサーの重力波歪みおよび非球面度の上限は何か。
• RQ4 回転は中性子星コアにおける陽子分率および中心密度にどのように影響を与え、冷却挙動にどのような意味を持つのか。
• RQ5 PSR B1937+21のようなパルサーの回転減速率を用いて、重力波放射の上限を推定できるか。その結果、歪みの上限は何か。

主な発見

• PSR B1937+21の最大重力波歪み振幅 $h_0^{sd}$ は、観測された回転減速率に基づき、$1.4M_\odot$ モデルで $[2.24 - 2.61] \times 10^{-27}$ に制限される。
• PSR B1937+21の非球面度の上限は、核EOS制約と回転減速データから $\epsilon^{sd} = [2.68 - 3.12] \times 10^{-9}$ と導出された。
• 0.18–0.35 kpcの距離にあるミリ秒パルサーでは、最大歪み振幅 $h_0$ がEOSに応じて $[0.4 - 1.5] \times 10^{-24}$ の範囲に予測される。
• 急速回転は最大質量を最大で17%まで増加させ、半径を数km変化させ、赤道半径は増加し極半径は減少する。
• PSR J0737-3039Aの慣性モーメントは $I = (1.30 - 1.63) \times 10^{45} \, \text{g cm}^2$ に制限され、EOSおよび回転周波数に強く依存する。
• 回転はコアにおける中心密度および陽子分率を低下させ、ミリ秒パルサーにおける高速冷却チャネルの閉鎖を引き起こす可能性があり、熱的進化モデルに影響を与える。