[論文レビュー] Nuclear Physics Multimessenger Astrophysics Constraints on the Neutron Star Equation of State: Adding NICER's PSR J0740+6620 Measurement

P. T. H. Pang, Ingo Tews+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 100被引用数 137

ひとこと要約

本稿は、NICERによる質量の大きなパulsar PSR J0740+6620の新しい半径測定値と重力波データ（GW170817、GW190425）、キロノーバおよびガンマ線バースト観測、核理論を組み合わせたマルチメッセンジャーフレームワークを用いて、中性子星の状態方程式に対する制約を再検討する。更新された解析により、90%信頼区間で1.4太陽質量の中性子星の半径は11.94+0.76−0.87 kmに制限され、クォーク物質への強い一次相転移は否定される。

ABSTRACT

In the past few years, new observations of neutron stars (NSs) and NS mergers have provided a wealth of data that allow one to constrain the equation of state (EOS) of nuclear matter at densities above nuclear saturation density. However, most observations were based on NSs with masses of about 1.4 M⊙, probing densities up to ∼three to four times the nuclear saturation density. Even higher densities are probed inside massive NSs such as PSR J0740+6620. Very recently, new radio observations provided an update to the mass estimate for PSR J0740+6620, and X-ray observations by the NICER and XMM telescopes constrained its radius. Based on these new measurements, we revisit our previous nuclear physics multimessenger astrophysics constraints and derive updated constraints on the EOS describing the NS interior. By combining astrophysical observations of two radio pulsars, two NICER measurements, the two gravitational-wave detections GW170817 and GW190425, detailed modeling of the kilonova AT 2017gfo, and the gamma-ray burst GRB 170817A, we are able to estimate the radius of a typical 1.4 M⊙ NS to be 11.94-0.87+0.76 km at 90% confidence. Our analysis allows us to revisit the upper bound on the maximum mass of NSs and disfavors the presence of a strong first-order phase transition from nuclear matter to exotic forms of matter, such as quark matter, inside NSs.

研究の動機と目的

• 最新のマルチメッセンジャーオブザーバーションを用いて、中性子星の状態方程式に対する制約を更新すること。
• NICERによるPSR J0740+6620の新しい半径測定値が状態方程式および相転移の可能性に与える影響を評価すること。
• 最大中性子星質量の推定値を精緻化し、GW190814が中性子星-ブラックホール合体である確率を評価すること。
• PSR J0740+6620が探査する高密度状態方程式が、特異物質への一次相転移を支持するかを評価すること。

提案手法

• 核物理学的マルチメッセンジャーアストロフィクス（NMMA）フレームワークを採用し、観測データと状態方程式の理論的モデリングを統合する。
• GW170817およびGW190425の重力波信号と、キロノーバAT2017gfoおよびガンマ線バーストGRB170817Aを含む電磁対応物を組み合わせる。
• NICERによるPSR J0740+6620のX線パルスプロファイルモデリングにより、質量-半径制約が得られ、Rileyら（2021b）およびMillerら（2021b）の2つの独立した事後分布サンプルが用いられる。
• XMM-NewtonのX線データを組み込んで半径制約を改善し、ベイズモデル比較を用いて相転移の可能性を評価する。
• 低密度領域では有効場理論に基づくチャイral EFTを組み込み、事後予測検証を用いてモデルの一貫性を検証する。
• ベイズ因子を計算して、一次相転移の可能性と滑らかな状態方程式の可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NICERによるPSR J0740+6620の半径測定値の組み込みが、核密度を超える高密度領域における中性子星状態方程式にどのように影響を与えるか？
• RQ2 1.4太陽質量の中性子星の90%信用区間での半径は何か？
• RQ3 PSR J0740+6620からの高質量・高密度データは、クォーク物質への一次相転移を支持するか？
• RQ4 新しいデータが、GW190814が中性子星-ブラックホール合体由来である確率にどのように影響を与えるか？
• RQ5 NICERおよびXMM-Newtonのデータが、最大中性子星質量の制約にどの程度改善をもたらすか？

主な発見

• 1.4太陽質量の中性子星の半径は、90%信用区間で11.94+0.76−0.87 kmに制限され、従来の予測と良好な一致を示している。
• NICERによるPSR J0740+6620測定値の組み込みにより、半径推定値にわずかなシフトしか生じない。これは半径測定値に10–20%の不確実性があるためである。
• 一次相転移のベイズ因子は0.29 ± 0.01（XMMデータを含めると0.23 ± 0.01）であり、このような相転移は否定されるが、完全には除外されない。
• 最大中性子星質量は2.15+0.15−0.12 M⊙に制限され、従来の推定値と顕著な変化はない。
• NICERおよびNICER+XMMデータの組み込みにより、GW190814が中性子星-ブラックホール合体である確率は19%から6.3–15.2%に低下し、ブラックホール由来の可能性が支持される。
• NICERデータのみでは従来のNMMA予測と良好な一致を示し、フレームワークの妥当性が裏付けられるが、XMMデータはわずかに剛性の高い状態方程式を支持する傾向があるが、測定不確実性のためその影響は小さい。