[論文レビュー] The millisecond pulsar mass distribution: Evidence for bimodality and constraints on the maximum neutron star mass

John Antoniadis, Thomas M. Tauris+4 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 15被引用数 102

ひとこと要約

MSP質量のベイズ分析により、著者らは強く二峰性の質量分布を見出し、最大中性子星質量の下限を導出する（M_max ≥ 2.018 M⊙ at 98% CL）、中性子星方程式と将来の調査への含意を示す。

ABSTRACT

The mass function of neutron stars (NSs) contains information about the late evolution of massive stars, the supernova explosion mechanism, and the equation-of-state of cold, nuclear matter beyond the nuclear saturation density. A number of recent NS mass measurements in binary millisecond pulsar (MSP) systems increase the fraction of massive NSs (with $M > 1.8$ M$_{\odot}$) to $\sim 20\% $ of the observed population. In light of these results, we employ a Bayesian framework to revisit the MSP mass distribution. We find that a single Gaussian model does not sufficiently describe the observed population. We test alternative empirical models and infer that the MSP mass distribution is strongly asymmetric. The diversity in spin and orbital properties of high-mass NSs suggests that this is most likely not a result of the recycling process, but rather reflects differences in the NS birth masses. The asymmetry is best accounted for by a bimodal distribution with a low mass component centred at $1.393_{-0.029}^{+0.031}$ M$_{\odot}$ and dispersed by $0.064_{-0.025}^{+0.064}$ M$_{\odot}$, and a high-mass component with a mean of $1.807_{-0.132}^{+0.081}$ and a dispersion of $0.177_{-0.072}^{+0.115}$ M$_{\odot}$. We also establish a lower limit of $M_{max} \ge 2.018$ M$_{\odot}$ at 98% C.L. for the maximum NS mass, from the absence of a high-mass truncation in the observed masses. Using our inferred model, we find that the measurement of 350 MSP masses, expected after the conclusion of pulsar surveys with the Square-Kilometre Array, can result in a precise localization of a maximum mass up to 2.15 M$_{\odot}$, with a 5% accuracy. Finally, we identify possible massive NSs within the known pulsar population and discuss birth masses of MSPs.

研究の動機と目的

• 更新された質量測定からミリ秒パルス星（MSP）の内在質量分布を評価する。
• 単一成分モデル対多成分モデルを比較し、MSP質量の最良の表現を決定する。
• 中性子星の方程式（EoS）と最大質量の制約への影響を推測する。
• 将来の調査（例：SKA）によってM_max推定をどのように改善できるか予測する。

提案手法

• 異質な測定値（正確な質量、総質量の制約、質量比）からMSP質量尤度を計算する。
• 経験的質量分布モデル（単一ガウス vs. 二峰性ガウス）をベイズ推定とMCMCサンプリングを用いて比較する。
• モデル選択にはAICcを用いてモデル複雑性をペナルティする。
• 高質量端を制約する切断質量M_maxを組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MSP質量分布は単一のガウスで記述されるべきか、それとも二峰性（二つのガウス）モデルか。
• RQ2 望ましいMSP質量分布のパラメータ（平均、分散、相対寄与）は何か。
• RQ3 現在のデータを前提とした場合、MSP質量分布は最大中性子星質量M_maxの意味のある下限を許すか。
• RQ4 推定された分布が中性子星の方程式にどのような含意を持ち、将来の調査はM_maxの制約をどう強化できるか。

主な発見

• データは単一のガウスよりも二峰性のMSP質量分布を支持しており、モデル比較（AICcはModel IIを選好）で定量化される。
• 最適な二峰性モデルは成分がμ1 = 1.396 M⊙、σ1 = 0.045 M⊙、μ2 = 1.807 M⊙、σ2 = 0.177 M⊙、相対重みr = 0.425に中心化している。
• 分離統計量Dは高質量成分が明確に独立していることを示唆しており、D = 3.12^{+1.95}_{-1.61}、サンプルの73%がD ≥ 2を満たす。
• 最大NS質量の確かな下限が存在する：M_max ≥ 2.018 M⊙ at 98%信頼区間（かつ≥ 1.924 M⊙ at 99.98% CL）。
• 高質量尾部と現在のMSPサンプルにおける高質量切断の不在がM_maxの制約を支え、将来のSKA時代のサンプル（約350 MSP）でM_maxを約2.15 M⊙に約5%の精度で局在できる可能性がある。
• 分析は代替の出生・降下仮説（Model III）も検討しているが、観測されたMSP質量を説明する二峰性解釈の方が有利である。