[논문 리뷰] Bayesian model-selection of neutron star equation of state using multi-messenger observations

B. Biswas|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 04.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 중성자별 상태방정식(EoS) 모델 31종에 대해 베이지안 모델 선택을 수행하였으며, GW170817 및 GW190425의 중력파 신호와 NICER 및 PSR J0030+0451, PSR J0740+6620의 전파 관측을 포함한 다중 메신저 데이터를 사용하였다. AP3(또는 MPA1) EoS가 가장 선호되며, 1.4 M⊙ 중성자별의 반지름은 12.10 km, 탄성변형도는 393이다. 반면, 매우 강성 또는 연성인 EoS 모델인 MS1, MS1B, SKI5, H4, WFF1은 결정적으로 배제된다.

ABSTRACT

Measurement of macroscopic properties of neutron stars, whether in binary or in an isolated system, provides us a key opportunity to place a stringent constraint on its equation of state. In this paper, we perform Bayesian model-selection on a wide variety of neutron star equation of state using multi-messenger observations. In particular, (i) we use the mass and tidal deformability measurement from two binary neutron star merger event, GW170817 and GW190425; (ii) simultaneous mass-radius measurement of PSR J0030+0451 and PSR J0740+6620 by NICER collaboration, while the latter has been analyzed by joint NICER/radio/XMM-Newton collaboration. Among the 31 equations of state considered in this analysis, we are able to rule out different variants of MS1 family, SKI5, H4, and WFF1 EoSs decisively, which are either extremely stiff or soft equations of state. The most preferred equation of state model turns out to be AP3 (or MPA1), which predicts the radius and dimensionless tidal deformability of a $1.4 M_{\odot}$ neutron star to be 12.10 (12.50) km and 393 (513) respectively.

연구 동기 및 목표

• 현재의 다중 메신저 관측 자료를 바탕으로 핵물리학에 기반한 다양한 중성자별 상태방정식(EoS) 모델들 중에서 통계적으로 가장 선호되는 EoS를 규명하는 것.
• 결합된 중력파 및 전자기적 제약 조건을 고려하여 각 EoS 모델에 대한 통계적 증거를 평가하는 것.
• 관측 데이터를 바탕으로 현재의 EoS 모델 상태를 기준으로 삼아 향후 EoS 모델링 및 수치 시뮬레이션에 기초 자료를 제공하는 것.
• 다양한 데이터 조합, 특히 PSR J0740+6620의 재측정된 질량 측정치를 포함한 경우에 EoS 선택의 탄력성을 평가하는 것.

제안 방법

• 다양한 핵many-body 근사법에서 유도된 31종의 중성자별 EoS 모델에 대해 베이지안 모델 선택을 적용하였다.
• 이 분석은 이중 중성자별 병합에서의 중력파 관측, 즉 GW170817 및 GW190425의 질량 및 탄성변형도 측정치로부터 유도된 제약 조건을 통합하였다.
• NICER 및 전파 관측 자료에서 유도된 전자기적 제약 조건을 포함하였으며, 특히 PSR J0030+0451 및 PSR J0740+6620의 질량-반지름 측정치를 활용하였다.
• 각 EoS 모델의 증거는 베이지안 증거(marginal likelihood)를 사용하여 계산되었으며, 베이즈 요인을 통한 모델 비교가 가능해졌다.
• 모든 EoS 모델에 대해 LalSuite 패키지를 사용하여 1.4 M⊙ 중성자별의 반지름 및 탄성변형도와 같은 거시적 성질을 계산하였다.
• 상전이를 수반하는 EoS는 제외되었으며, 단지 하이브리드 쿼크-하드론 물질 모델인 HQC18만 포함되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재의 다중 메신저 관측 자료에 의해 가장 강하게 지지되는 중성자별 상태방정식은 무엇인가?
• RQ2 중력파 및 전자기 관측 자료가 함께 작용할 때, 중성자별 물질의 강성과 연성에 어떤 제약을 끼치는가?
• RQ3 결합된 데이터에 의해 결정적으로 배제되는 EoS 모델은 무엇이며, 반지름과 탄성변형도에 대한 정량적 한계는 무엇인가?
• RQ4 PSR J0740+6620의 재측정된 질량 측정치를 포함할 경우 모델 선택 결과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 결과가 Li & Steiner(2006)의 핵물리학 데이터 예측과 어느 정도 일치하는가?

주요 결과

• AP3(또는 MPA1) 상태방정식이 가장 선호되는 모델로 규명되었으며, 1.4 M⊙ 중성자별의 반지름은 12.10 km, 탄성변형도는 393이다.
• 매우 강성인 MS1, MS1B, MS1B_PP, MS1_PP, SKI5 EoS 모델은 극도의 강성으로 인해 결정적으로 배제되었으며, 반지름 ≥14.07 km 및 탄성변형도 ≥1009를 예측한다.
• 매우 연성인 WFF1 EoS는 극도의 연성으로 인해 결정적으로 배제되었으며, 1.4 M⊙ 반지름은 10.42 km, 탄성변형도는 153을 예측한다.
• H4 EoS 역시 결정적으로 배제되었으며, 1.4 M⊙ 중성자별에 대해 반지름 13.69 km, 탄성변형도 897을 예측한다.
• 분석 결과, 중성자별 EoS는 매우 강성 또는 매우 연성일 수 없으며, 1.4 M⊙ 별의 선호되는 반지름 범위는 핵물리학 데이터에서 예측한 11.5–13.6 km와 일치한다.
• 이 방법론은 향후 새로운 다중 메신저 관측 자료를 일관된 베이지안 프레임워크를 통해 EoS 모델 비교에 통합할 수 있도록 한다.