[論文レビュー] Strange stars with a mirror-dark-matter core confronting with the observations of compact stars

Shu‐Hua Yang, Chun‐Mei Pi+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 83被引用数 25

ひとこと要約

この論文は、鏡対称性を持つ暗黒物質（MDM）コアを有する奇妙星（SSs）が、PSR J0030+0451の質量・半径測定値、PSR J0740+6620の高質量、およびGW170817の潮汐歪みを同時に説明可能であると提唱している。標準的なMITバッグモデルと重力結合のみを考慮した二流体形式を用いて、GW170817系においてMDMコアの質量分率fD > 2.5%（Rileyらのデータの場合）またはfD > 3.1%（Millerらのデータの場合）であれば、すべての観測結果が整合することを示した。これにより、SSsに暗黒物質コアが存在することを確認した。

ABSTRACT

We investigate the structure and the tidal deformability of strange stars (SSs) with a mirror-dark-matter (MDM) core for the standard MIT bag model. We find that to explain the observations of PSR J0740+6620, PSR J0030+0451 and GW170817 simultaneously, SSs in GW170817 should have a MDM core although it is unnecessary for PSR J0740+6620 and PSR J0030+0451 to contain a MDM core. Our study leads to the result that for the standard MIT bag model, the observations of compact stars mentioned above confirm the existence of a dark-matter core inside SSs.

研究の動機と目的

• 観測されたコンパクト星の性質と奇妙クォーク物質の標準的MITバッグモデルとの間に生じる矛盾を解消すること。
• 鏡対称性を持つ暗黒物質（MDM）コアが、PSR J0740+6620、PSR J0030+0451、およびGW170817の矛盾する観測結果をどのように調和できるかを調査すること。
• 奇妙星が同時に質量、半径、潮汐歪みの制約を満たすために必要なMDMコアの質量分率（fD）を特定すること。
• 現在の天体物理学的観測に基づいて、奇妙星内に暗黒物質コアが存在することを確認すること。

提案手法

• u、d、sクォークおよび電子を含む奇妙クォーク物質（SQM）に標準的なMITバッグモデルを適用し、バッグ定数Bとsクォーク質量ms = 93 MeVを用いる。
• 普通の物質と重力的相互作用のみを有するとして、同じ状態方程式（EOS）を用いて鏡対称性を持つ暗黒物質（MDM）コアをモデル化する。
• 重力のみで結合する二流体形式を用いて、SQMおよびMDM領域のTolman-Oppenheimer-Volkoff（TOV）方程式を解く。
• 表面エネルギー密度のジャンクション補正を加えた微分方程式y(r)から得られる次元なし潮汐ラブ数k2を用いて、潮汐歪みを計算する。
• 5つの観測的制約を適用する：(1) 1バリオンあたりのエネルギーの安定性、(2) 非奇妙クォーク物質の安定性、(3) Mmax ≥ 2.14 M⊙、(4) PSR J0030+0451のNICER質量・半径データ、(5) GW170817からのΛ(1.4) = 190+390−120。
• すべての制約が同時に満たされるパラメータ空間を特定するために、MDM質量分率fD = MD/Mを変化させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 鏡対称性を持つ暗黒物質（MDM）コアを有する奇妙星は、PSR J0740+6620、PSR J0030+0451、およびGW170817の質量・半径・潮汐歪みの制約を同時に満たすことができるか？
• RQ2 GW170817系において、観測された潮汐歪みと他のコンパクト星の高質量・高半径データを調和させるために、MDMの最小必要質量分率fDはどれほどか？
• RQ3 標準的なMITバッグモデルにおいて、現在の天体物理学的観測が奇妙星内に暗黒物質コアが存在することを確認できるか？
• RQ4 MDMコアの存在が奇妙星の最大質量・半径に与える影響は何か？ また、その結果、潮汐歪みにどのような影響を与えるか？

主な発見

• MDMコアを有さない奇妙星について、Mmax ≥ 2.14 M⊙、NICERデータ、およびΛ(1.4) = 190+390−120という4つの制約を満たすパラメータ空間は重複しない。これは観測と整合しないことを示している。
• MDMコアを有する奇妙星では、潮汐歪みΛ(1.4)はMDM質量分率fDが増加するにつれて減少し、バッグ定数が大きいほどさらに小さくなる。
• GW170817系において、潮汐歪みを他の観測結果と調和させるために、MDMコアの質量分率fD > 2.5%（RileyらのNICERデータの場合）またはfD > 3.1%（MillerらのNICERデータの場合）が必要である。
• 本研究では、PSR J0740+6620、PSR J0030+0451、およびGW170817の観測結果が、標準的なMITバッグモデル内において奇妙星内に暗黒物質コアが存在することを共同で支持していることを確認した。
• 結果は、鏡対称性を持つ暗黒物質に限らず、奇妙星にコアを形成できる他の安定な暗黒物質候補に対しても定性的に有効である。
• 各奇妙星におけるMDMの質量分率fDは歴史依存的であり、これが異なる星が異なるコア組成を持つ理由を説明している。