[논문 리뷰] Apparent equation of state of compact stars within the Eddington-inspired Born-Infeld theory

Ali Ikhsanul Qauli, A. Sulaksono외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 11.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 중성미자 및 쿼크 성간의 성질을 Eddington-유도 Born-Infeld (EiBI) 중력 이론 내에서 연구하며, 상태방정식(EOS)으로 상대론적 평균장(RMF) 및 CIDDM 모델을 사용한다. 펄서 질량-반지름 데이터를 이용해 EiBI 매개변수 $\kappa$를 제약한다. 중성미자 성간에 대해 $2.7 \leq \kappa_g \leq 7.9 \times 10^{-2}\ \text{m}^5\text{kg}^{-1}\text{s}^{-2}$, 쿼크 성간에 대해 $1.6 \leq \kappa_g \leq 2.2 \times 10^{-2}\ \text{m}^5\text{kg}^{-1}\text{s}^{-2}$를 구하며, 이 범위는 밀도와 질량의 제약 조건에 의해 결정된다.

ABSTRACT

We investigate the compactness, masses and radii of realistic neutron stars (NSs) and quark stars (QSs) within the Eddington-inspired Born-Infeld (EiBI) theory of gravity, and the energy conditions of their apparent equation of states (EOSs). We show that the maximum compactness and maximum masses constraints extracted from the recent pulsars masses and radii observations can provide the upper and lower limits of $\kappa$ value of EiBI theory. By using BSP parameter set of relativistic mean field (RMF) model to describe NS core EOS including hyperons, it can be estimated that $ (2.7 \le \kappa_g \le 7.9) imes$ $ m 10^{-2} m^5 kg^{-1} s^{-2}$. If we use confined-isospin-density-dependent-mass (CIDDM) model with additional scalar Coulomb term with QSK046 parameter set to describe QS EOS, we can obtain lesser value i.e., $ (1.6 \le \kappa_g\le 2.2) imes$ $ m 10^{-2} m^5 kg^{-1} s^{-2}$. We have also observed that for large $\kappa$ values, mass-radius relations of NSs and QSs do not exceed causality restrictions because the compactness of NS and QS are saturated after passing certain large critical value. This observation is in agreement with the results obtained in Ref.\cite{Delsate12} for the case of pressure-less stars. We have also found that if $\kappa$ larger than certain non-zero value, the CIDDM with vector Coulomb model prediction of QS can reach the maximum mass $\gtrsim$ 2 $M_\odot$. We have found also that if the NS or QS EOS becomes stiffer, the upper limit of $\kappa$ from compactness constraint becomes smaller and lower limit of $\kappa$ from maximum masses constraint becomes larger. We also observe that the uncertainty of the systematic in canonical mass compact stars radii measurements data can affect the $\kappa$ range. It is also shown that the non-physical apparent EOS of NSs and QSs can satisfy the energy conditions.

연구 동기 및 목표

• 관측된 펄서의 질량 및 반지름 데이터를 사용해 Eddington-유도 Born-Infeld (EiBI) 중력 매개변수 $\kappa$를 제약하는 것.
• 중성미자 성간(NSs)과 쿼크 성간(QSs)의 밀도 및 최대 질량 제약 조건이 $\kappa$의 允許 범위에 미치는 영향을 검토하는 것.
• 핵물리적 상태방정식(EOS) 모델—BSP(RMF에 하이퍼온 포함) 및 CIDDM에 스칼라/벡터 쿨롱 항을 추가한 것—이 $\kappa$의 제약에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 실제로 물리적으로 비합리적인 행동을 보일 수 있는 중성미자 성간과 쿼크 성간의 apparent EOS가 에너지 조건을 만족하는지 검토하는 것.
• 표준 질량-반지름 측정치의 체계적 불확실성이 유도된 $\kappa$ 범위에 미치는 영향을 분석하는 것.

제안 방법

• 하이퍼온을 포함한 중성미자 성간 핵심 상태방정식을 기술하기 위해 BSP 파arameter 세트를 사용한 상대론적 평균장(RMF) 모델을 적용한다.
• 쿼크 성간 상태방정식을 모델링하기 위해 QSK046 파aram터를 사용한 고립-이ソ스핀-밀도에 의존하는 질량(CIDDM) 모델에 스칼라 및 벡터 쿨롱 항을 추가한다.
• Eddington-유도 Born-Infeld(EiBI) 중력 이론을 적용하여 NSs와 QSs의 질량-반지름 관계를 유도하며, $\kappa$ 매개변수를 자유 중력 결합 상수로 포함시킨다.
• 밀도를 계산하고 최근 펄서 타이밍 및 X선 관측 데이터로부터의 관측 제약 조건과 예측된 질량-반지름 관계를 비교한다.
• 중성미자 성간과 쿼크 성간의 apparent EOS에 대해 에너지 조건(공백, 약한, 강한)을 평가하여 물리적 타당성을 평가한다.
• 표준 질량-반지름 측정치의 체계적 불확실성을 변화시켜 $\kappa$의 제약 범위에 대한 민감도 분석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 중성미자 성간 질량과 반지름과 일치하는 EiBI 이론 내의 $\kappa$ 값 범위는 무엇인가?
• RQ2 BSP(RMF에 하이퍼온 포함)와 쿨롱 항을 포함한 CIDDM 등 다양한 상태방정식이 $\kappa$의 제약에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 큰 $\kappa$ 값에서 중성미자 성간과 쿼크 성간의 밀도가 포화 상태에 도달하는가? 이는 원인성 위반을 방지하는가?
• RQ4 EiBI 모델에서 $\kappa > 0$일 경우, 질량이 $\gtrsim 2\,M_\odot$인 쿼크 성간을 지지할 수 있는가?
• RQ5 질량-반지름 측정치의 불확실성이 유도된 $\kappa$의 제약 범위에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 하이퍼온을 포함한 BSP-RMF 상태방정식을 사용할 경우, 중성미자 성간에 대해 EiBI 중력 매개변수 $\kappa_g$는 $2.7 \leq \kappa_g \leq 7.9 \times 10^{-2}\ \text{m}^5\text{kg}^{-1}\text{s}^{-2}$로 제약된다.
• 스칼라 및 벡터 쿨롱 항을 포함한 CIDDM 상태방정식을 사용할 경우, 쿼크 성간에 대해 $\kappa_g$는 $1.6 \leq \kappa_g \leq 2.2 \times 10^{-2}\ \text{m}^5\text{kg}^{-1}\text{s}^{-2}$로 제약된다.
• 큰 $\kappa$ 값에서 중성미자 성간과 쿼크 성간의 밀도가 포화 상태에 도달하며, 이는 원인성 위반을 방지한다. 이는 압력이 없는 성간에 대한 이전 결과와 일치한다.
• $\kappa$가 비제로 임계값을 초과할 경우, 벡터 쿨롱 항을 포함한 CIDDM 모델은 질량이 $\gtrsim 2\,M_\odot$인 쿼크 성간을 예측하며, 관측 결과와 일치한다.
• 더 딱딱한 상태방정식은 밀도 제약 조건에 의해 $\kappa$의 상한을 작게 만들고, 최대 질량 제약 조건에 의해 하한을 크게 한다.
• 표준 질량-반지름 측정치의 체계적 불확실성은 유도된 $\kappa$의 범위에 상당한 영향을 미치며, 데이터 품질에 민감함을 시사한다.
• 중성미자 성간과 쿼크 성간의 물리적으로 비합리적인 apparent 상태방정식이라도 에너지 조건을 만족할 수 있으며, 이는 이러한 조건만으로는 비물리적 모델을 배제하기에는 부족함을 시사한다.