[論文レビュー] The maximum mass of neutron stars may be higher than expected: an inference from binary systems

L. S. Rocha, R. R. A. Bachega+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2021

Seismology and Earthquake Studies参考文献 4被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、中性子星連星系96個のサンプルをベイズ推論を用いて再評価し、マルコフ連鎖モンテカルロ法（MCMC）と事後予測チェックを適用して、$ m_{\text{max}} \sim 2.5-2.6\,M_\odot $ を推定した。この結果は、GW170817に基づく低めの推定値に挑戦し、GW190814における約2.6$M_\odot$の成分が中性子星である可能性を支持しており、従来の予想よりも高い固有の最大質量である可能性を示している。

ABSTRACT

We have analyzed in this work the updated sample of neutron star masses derived from the study of a variety of 96 binary systems containing at least one neutron star using Bayesian methods. After updating the multimodality of the distributions found in previous works, we determined the maximum mass implied by the sample using a robust truncation technique, with the result $m_{max} \sim 2.5-2.6 \, M_{\odot}$. We have checked that this mass is actually consistent by generating synthetic data and employing a Posterior Predictive Check. A comparison with seven published $m_{max}$ values inferred from the remnant of the NS-NS merger GW170817 was performed and the tension between the latter and the obtained $m_{max}$ value quantified. Finally, we performed a Local Outlier Factor test and verified that the result for $m_{max}$ encompasses the highest individual mass determinations with the possible exception of PSR J1748-2021B. The conclusion is that the whole distribution already points toward a high value of $m_{max}$, while several lower values derived from the NS-NS merger event are disfavored and incompatible with the higher binary system masses. A large $m_{max}$ naturally accommodates the lower mass component of the event GW190814 as a neutron star.

研究の動機と目的

• 少なくとも1つの中性子星を含む96個の連星系からの最新観測データを用いて、中性子星の最大質量を再評価すること。
• 連星系から得られた中性子星質量推定値と、GW170817のような重力波イベントから推定された値との間に生じる矛盾を解消すること。
• ローカル外れ要因（LOF）のような外れ値検出技術を用いて、高質量中性子星候補の統計的妥当性を検証すること。
• 観測された質量分布が、以前に報告された値よりも高い $ m_{\text{max}} $ を支持するかどうかを評価すること、特にGW190814の出来高を踏まえて。

提案手法

• 96個の連星系からの中性子星質量の事後分布をモデル化するために、ベイズ推論とマルコフ連鎖モンテカルロ法（MCMC）を用いた。
• 質量分布の上限を推定するための頑健な切断技術を用い、$ m_{\text{max}} $ を推定された最大質量として定義した。
• 事後予測チェック（PPC）を実施し、5,000個の合成データセットを生成することで、推定された $ m_{\text{max}} $ が観測データと整合しているかを検証した。
• 質量分布における外れ値を特定するために、ローカル外れ要因（LOF）アルゴリズムを用い、極端な質量測定値が主分布からどれほど逸脱しているかを評価した。
• 統計的適合度を測定するために、しきい値を超えるシミュレートされた質量の数をテスト統計量 $ T $ として定義し、ベイズp値を計算した。
• 表2の周辺事後分布を用いて、Mathematicaを用いて新しいデータをシミュレートし、推定された $ m_{\text{max}} $ の統計的妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 少なくとも1つの中性子星を含む96個の連星系の包括的サンプルに基づいて、中性子星の推定最大質量は何か？
• RQ2 連星系から推定された $ m_{\text{max}} $ は、GW170817の中性子星-中性子星合体イベントから導かれた値とどのように比較されるか？
• RQ3 観測された高質量中性子星候補PSR J1748-2021Bは、主分布と統計的に整合しているか、それとも外れ値か？
• RQ4 推定された $ m_{\text{max}} \sim 2.5-2.6\,M_\odot $ は、GW190814の$\sim 2.6\,M_\odot$の成分を中性子星として説明できるか？
• RQ5 事後予測チェックによって検証されたように、統計的不適合に対して高い $ m_{\text{max}} $ 値はどの程度頑健か？

主な発見

• 分析により、中性子星の最大質量は $ m_{\text{max}} \sim 2.5-2.6\,M_\odot $ と推定され、GW170817に基づく一部の以前の推定値よりも顕著に高いことが判明した。
• 事後予測チェックにより、推定された $ m_{\text{max}} $ が観測データと統計的に整合することが確認され、その信頼性が支持された。
• 値 $ m_{\text{max}} \sim 2.5-2.6\,M_\odot $ は、GW170817から導かれたいくつかの低めの $ m_{\text{max}} $ 推定値と矛盾しており、両者のアプローチ間に統計的緊張が生じていることを示している。
• ローカル外れ要因（LOF）テストにより、最高の個別質量測定値であるPSR J1748-2021Bは外れ値ではなく、推定分布と整合的であることが示された。
• 高い $ m_{\text{max}} $ 値は、自然にGW190814の$\sim 2.6\,M_\odot$の成分を中性子星として説明でき、長年の質量ギャップの曖昧さを解消した。
• 本研究は、観測された全質量分布が高めの $ m_{\text{max}} $ を示唆していると結論づけ、一方でGW170817に基づく低値は、より高い連星系質量を考慮すると統計的に不適切であるとされた。