[논문 리뷰] Bayesian analysis of multimessenger M-R data with interpolated hybrid EoS

Alexander Ayriyan, D. Blaschke외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 26.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 88인용 수 52

한 줄 요약

이 논문은 소프트 핵물질 상태방정식(APR)와 강한 색초전도성 쿼크물질 상태방정식(비국소 NJL 모델 기반) 사이를 새로운 이중영역 파라볼릭 보간법으로 연결한 베이지안 분석을 통해 다메시지 중성자별 데이터를 다룬다. 자유 매개변수 2개(ηD, ηV)를 가진다. 주요 결과는 데이터가 ηD ≈ 0.75인 색초전도성 쿼크상태를 강하게 지지하며, 가장 가능성이 높은 상태방정식은 2.5 M⊙를 초과하는 최대 질량을 지지할 수 없으며, 이는 GW190814가 중성자별–블랙홀 시스템이 아니라 이중 블랙홀 융합일 가능성이 높다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

We introduce a family of equations of state (EoS) for hybrid neutron star (NS) matter that is obtained by a two-zone parabolic interpolation between a soft hadronic EoS at low densities and a set of stiff quark matter EoS at high densities within a finite region of chemical potentials $\mu_H < \mu < \mu_Q$. Fixing the hadronic EoS as the APR one and choosing the color-superconducting, nonlocal NJL model with two free parameters for the quark phase, we perform Bayesian analyses with this two-parameter family of hybrid EoS. Using three different sets of observational constraints that include the mass of PSR J0740+6620, the tidal deformability for GW170817, and the mass-radius relation for PSR J0030+0451 from NICER as obligatory (set 1), while set 2 uses the possible upper limit on the maximum mass from GW170817 as an additional constraint and set 3 instead of the possibility that the lighter object in the asymmetric binary merger GW190814 is a neutron star. We confirm that in any case, the quark matter phase has to be color superconducting with the dimensionless diquark coupling approximately fulfilling the Fierz relation $\eta_D=0.75$ and the most probable solutions exhibiting a proportionality between $\eta_D$ and $\eta_V$, the coupling of the repulsive vector interaction that is required for a sufficiently large maximum mass. We used the Bayesian analysis to investigate with the method of fictitious measurements the consequences of anticipating different radii for the massive $2~M_\odot$ PSR J0740+6220 for the most likely equation of state. With the actual outcome of the NICER radius measurement on PSR J0740+6220 we could conclude that for the most likely hybrid star EoS would not support a maximum mass as large as $2.5~M_\odot$ so that the event GW190814 was a binary black hole merger.

연구 동기 및 목표

• 이중영역 파라볼릭 보간법을 통해 핵물질과 쿼크물질 상 사이의 물리적으로 타당한 하이브리드 중성자별 상태방정식(EoS) 가족을 개발하는 것.
• 질량, 반지름, 탄성변형도 등의 다메시지 제약 조건을 기반으로 EoS 매개변수에 대한 사후 분포를 추론하기 위해 베이지안 분석을 수행하는 것.
• GW190814의 밀도 높은 천체 성격에 따라 다양한 관측 가정 하에서 EoS 제약 조건의 안정성을 시험하는 것.
• PSR J0740+6620에 대한 가짜 NICER 반지름 측정치를 사용하여 향후 예측 능력을 평가하는 것.
• PSR J0740+6620에서 관측된 최대 질량 2.14 M⊙이 더 높은 질량을 지지하는 하이브리드 EoS 모델과 호환되는지 확인하는 것.

제안 방법

• 저밀도에서 소프트 APR 상태방정식과 고밀도에서 비국소 NJL 모델 기반 색초전도성 쿼크물질 상태방정식 사이를 두 가지 매개변수로 구성된 하이브리드 EoS 가족을 생성하는 것.
• µH = 991 MeV(n ≈ 1.5n₀)와 µQ 사이에서 화학적 포텐셜 공간에서 파라볼릭 보간을 사용하여 매끄러운 전이를 확보하고 물리적으로 비합리적인 재봉합을 방지하는 것.
• 세 가지 다른 관측 제약 조건 세트를 사용한 베이지안 추론: (1) PSR J0740+6620 질량, GW170817 탄성변형도, NICER J0030+0451 반지름; (2) GW170817 기반 Mmax 상한선 추가; (3) GW190814의 경량 성분이 중성자별이라고 가정.
• 가짜 측정치 방법을 사용하여 PSR J0740+6620에 대한 향후 NICER 반지름 측정치를 시뮬레이션하고 EoS 추론에 미치는 영향을 평가하는 것.
• EoS 모델에 대한 사후 확률을 계산하고 상대적 사후 정규화를 사용하여 제약 조건 세트 간 결과를 비교하는 것.
• 결과적으로 유도된 M–R 관계, EoS 압력–에너지 밀도 관계, 탄성변형도 상관관계(Λ1–Λ2)를 분석하여 물리적 제약 조건을 도출하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 핵물질과 쿼크물질 상태방정식 사이의 이중영역 파라볼릭 보간법이 비물리적 재봉합 없이 물리적으로 타당한 하이브리드 성질의 별을 생성할 수 있는가?
• RQ2 색초전도성 쿼크물질 상에서 이중쿠버링 상호작용(ηD)과 벡터 상호작용 강도(ηV)에 대한 사후 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 PSR J0740+6620의 질량과 반지름을 제약 조건으로 포함할 경우 더 높은 최대 질량을 지닌 EoS 모델이 유리한가?
• RQ4 GW170817 및 NICER 제약 조건을 모두 만족하는 하이브리드 EoS 모델이 PSR J0740+6620에서 관측된 2.14 M⊙ 질량과 호환되는가?
• RQ5 추론된 EoS 제약 조건을 바탕으로, GW190814가 중성자별–블랙홀 융합이었을 가능성은 어느 정도인가?

주요 결과

• 베이지안 분석은 Fierz 관계와 일치하는 ηD ≈ 0.75인 색초전도성 쿼크상태를 강하게 지지한다.
• 가장 가능성이 높은 EoS 해법은 ηD와 ηV 사이에 강한 상관관계를 보이며, 반발력이 강한 벡터 상호작용(ηV)이 충분히 큰 최대 중성자별 질량을 달성하는 데 필수적임을 보여준다.
• 유도된 EoS 가족은 2.5 M⊙를 초과하는 최대 질량을 지지할 수 없으며, 이는 GW190814에서 질량 ≈2.6 M⊙인 중성자별이 관여한 시나리오를 배제한다.
• 실제로 PSR J0740+6620에 대해 NICER가 측정한 반지름(R ≈ 11.4 km)은 가장 가능성 높은 하이브리드 EoS가 2.5 M⊙ 별을 지지하지 못함을 시사하며, 이는 GW190814가 이중 블랙홀 융합이었을 가능성이 높다는 결론을 강화한다.
• 가짜 측정치 방법은 향후 PSR J0740+6620에 대한 NICER 반지름 측정치가 EoS 추론, 특히 고밀도 영역에서 매우 강력한 제약을 줄 수 있음을 성공적으로 예측한다.
• 동일한 제약 조건 세트(세트 1)를 사용할 때, 현재 EoS 모델 가족의 상대적 사후 확률은 이전 모델(참고문헌 [11])보다 다섯 배 이상 높으며, 이는 데이터 호환성 향상을 시사한다.