[論文レビュー] The scenario of two families of compact stars 1. Equations of state, mass-radius relations and binary systems

A. Drago, A. Lavagno+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2015

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 91被引用数 49

ひとこと要約

本稿は、核子星（最大質量 ~1.6 M⊙、小径）とクォーク星（最大質量 ~2.75 M⊙、大径）が共存するコンパクト星の二家族モデルを提案する。初期にΔイソバリオンとハイパーロンが出現することで、核子星の状態方程式が軟化し、クォーク物質が形成されない限り、質量の大きな核子星は不可能になる。このモデルは、2 M⊙の高質量測定値と10 km程度の小径観測を整合的に説明するため、質量の大きな星をクォーク星族に、コンパクトな星を核子星族に割り当てる。

ABSTRACT

We present several arguments which favor the scenario of two coexisting families of compact stars: hadronic stars and quark stars. Besides the well known hyperon puzzle of the physics of compact stars, a similar puzzle exists also when considering delta resonances. We show that these particles appear at densities close to twice saturation density and must be therefore included in the calculations of the hadronic equation of state. Such an early appearance is strictly related to the value of the L parameter of the symmetry energy that has been found, in recent phenomenological studies, to lie in the range $40

研究の動機と目的

• 観測された高質量（~2 M⊙）と小径（~10 km）のコンパクト星の間の矛盾を解消すること。
• 密度が2 n₀付近でΔイソバリオンとハイパーロンが早期に出現することで生じる核子星状態方程式の軟化を扱うこと。
• 摂動的QCDによって支持されるクォーク星が2.75 M⊙に達することができることを主張し、二家族モデルを可能にすること。
• 質量と半径の観測的制約を、質量の大きな星がクォーク星であり、コンパクトな星が核子星であるモデルと整合させること。
• 低質量X線連星におけるミリ秒パulsarを含む二重星系における核子星からクォーク星への変換の影響を検討すること。

提案手法

• 核子星状態方程式の計算に、SFHoパラメータ化を用いた非線形相対論的Walecka型モデルを用い、バリオン、ハイパーロン、Δイソバリオンを含む。
• 対称性エネルギーパラメータL（40 < L < 62 MeV）を用いて、高温でレプトンを豊富に含む核子星物質におけるハイパーロンおよびΔイソバリオンの生成閾値密度を計算する。
• 摂動的QCD計算を適用し、クォーク星状態方程式を導出し、最大質量2.75 M⊙を予測する。
• 理論的質量-半径関係をパルサーおよびX線連星からの観測データと比較する。
• 二重星系の軌道離心率を分析し、二重星進化過程における核子星からクォーク星への相転移を推測する。
• AMS-02および月の土壌試料からの既存の制限を用いて、コンパクト星合体からのストレンジレットの宇宙メッセンジャーとしての可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜΔイソバリオンとハイパーロンの核子星状態方程式への組み込みが、質量の大きな核子星の形成を妨げるのか？
• RQ2 対称性エネルギーパラメータL（40 < L < 62 MeV）の値が、高密度物質におけるΔイソバリオンおよびハイパーロンの出現にどのように影響するか？
• RQ3 摂動的QCDに基づく状態方程式によって、2.75 M⊙に達するクォーク星が一貫して支持可能か？
• RQ4 コンパクト星の観測された質量と半径測定値は、二つの異なるコンパクト星族の存在をどの程度制約するか？
• RQ5 一部のミリ秒パルサー二重星系で観測された高い離心率は、二重星系内での核子星からクォーク星への相転移によって説明可能か？

主な発見

• 対称性エネルギーパラメータLが40–62 MeVの範囲にある場合、密度が約2 n₀に達する段階でΔイソバリオンの出現が起こり、核子星状態方程式が顕著に軟化する。
• 最大質量1.6 M⊙、半径約10 kmの核子星は可能であるが、この軟化のため、質量の大きな核子星（例：2 M⊙）は支持されない。
• 摂動的QCD計算に基づくクォーク星状態方程式は、最大質量2.75 M⊙を支持でき、観測された最も質量の大きなコンパクト星の候補として妥当である。
• 観測された高質量（~2 M⊙）と小径（~10 km）の間の矛盾は、質量の大きな星をクォーク星族、コンパクトな星を核子星族に割り当てることで解消される。
• 一部のミリ秒パルサー二重星系で観測された高い軌道離心率は、核子星がクォーク星に変換され、そのコンパクトネスが上昇することで、二重星の力学的状態が変化した結果である可能性がある。
• コンパクト星合体において、2.5–3 M⊙を超える合体では即座にブラックホールが形成されるため、ストレンジレットは豊富に存在しないと考えられ、観測可能なフラックスは制限される。