[논문 리뷰] Constraints on phase transition and nuclear symmetry parameters with PSR J0740+6620 and multimessenger data of other neutron stars

Shao-Peng Tang, Jin-Liang Jiang외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 08.

Geophysics and Gravity Measurements인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 PSR J0740+6620, GW170817, 그리고 PSR J0030+0451의 멀티메신저 데이터에 더해 PREX-II의 중성자 피부 두께 측정값을 활용하여 조밀한 물질의 상태방정식(EoS)을 제약한다. $L \approx 70_{-18}^{+21}$ MeV로 도출되었으며, $R_{\text{skin}}^{208} = 0.204^{+0.030}_{-0.026}$ fm로 예측하고, $R_{1.4} = 12.3 \pm 0.7$ km, $\Lambda_{1.4} = 330_{-100}^{+140}$, $P_{2\rho_{\text{sat}}} = 4.1_{-1.2}^{+1.5} \times 10^{34}$ dyn cm$^{-2}$를 엄격히 제약한다. 하이브리드 및 일반 중성자별에 대한 베이즈 증거는 유사하다.

ABSTRACT

Recently, the radius of neutron star (NS) PSR J0740+6620 was measured by NICER and an updated measurement of neutron skin thickness of ${}^{208}$Pb ($R_{ m skin}^{208}$) was reported by the PREX-II experiment. These new measurements can help us better understand the unknown equation of state (EoS) of dense matter. In this work, we adopt a hybrid parameterization method, which incorporates the nuclear empirical parameterization and some widely used phenomenological parameterizations, to analyze the results of nuclear experiments and astrophysical observations. With the joint Bayesian analysis of GW170817, PSR J0030+0451, and PSR J0740+6620, the parameters that characterize the ultra dense matter EoS are constrained. We find that the slope parameter $L$ is approximately constrained to $70_{-18}^{+21}$ MeV, which predicts $R_{ m skin}^{208}=0.204^{+0.030}_{-0.026}\,{ m fm}$ by using the universal relation between $R_{ m skin}^{208}$ and $L$. And the bulk properties of canonical $1.4\,M_\odot$ NS (e.g., $R_{1.4}$ and $\Lambda_{1.4}$) as well as the pressure ($P_{2 ho_{ m sat}}$) at two times the nuclear saturation density are well constrained by the data, i.e., $R_{1.4}$, $\Lambda_{1.4}$, and $P_{2 ho_{ m sat}}$ are approximately constrained to $12.3\pm0.7$ km, $330_{-100}^{+140}$, and $4.1_{-1.2}^{+1.5} imes10^{34}\,{ m dyn\,cm^{-2}}$, respectively. Besides, we find that the Bayes evidences of the hybrid star and normal NS assumptions are comparable, which indicates that current observation data are compatible with quarkyonic matter existing in the core of massive star. Finally, in the case of normal NS assumption, we obtain a constraint for the maximum mass of nonrotating NS $M_{ m TOV}=2.30^{+0.30}_{-0.18}$ $M_\odot$. All of the uncertainties reported above are for 68.3% credible levels.

연구 동기 및 목표

• 최근 천체물리학적 및 핵실험 데이터를 활용하여 중성자별 내 조밀한 물질의 상태방정식(EoS)을 제약하는 것.
• $^{208}$Pb의 중성자 피부 두께($R_{\text{skin}}^{208}$)가 핵대칭 에너지 기울기 파라미터 $L$에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 하이브리드 별 모델과 일반 중성자별 모델의 베이즈 증거를 비교하여 핵심 내부의 쿼크요닉 물질 존재 가능성 평가.
• 반경, 조임성 변형도, 고밀도 영역에서의 압력과 같은 핵심 중성자별 성질에 대한 제약 강화.
• 일반 중성자별 가정 하에 비회전 중성자별의 최대 질량를 결정하는 것.

제안 방법

• 핵실험적 경향성 파arameterization과 널리 사용되는 현상학적 EoS 모델을 조합한 하이브리드 파arameterization 방법을 적용.
• 멀티메신저 데이터를 통합한 베이지안 분석 수행: GW170817(중력파), PSR J0030+0451(X선 타이밍), PSR J0740+6620(NICER를 통한 반경 측정).
• PREX-II 실험의 $R_{\text{skin}}^{208}$ 업데이트된 측정값을 활용하여 대칭 에너지 기울기 $L$을 제약.
• 일반화된 관계식을 통해 $L$ 값으로부터 $R_{\text{skin}}^{208}$의 예측을 수행.
• 하이브리드 별(쿼크요닉 핵심)과 일반 중성자별(하드론 핵심) 시나리오 간의 베이즈 요인 분석을 통해 증거 비교.
• 마르코프 체인 몬테카를로 샘플링을 사용하여 모든 제약된 파라미터에 대해 68.3% 신뢰구간 계산.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 멀티메신저 데이터의 통합 분 析를 통해 대칭 에너지 기울기 파라미터 $L$에 대한 제약는 무엇인가?
• RQ2 측정된 $^{208}$Pb의 중성자 피부 두께($R_{\text{skin}}^{208}$)는 $L$과 어떻게 관련되어 있으며, 일반화된 관계식에 기반한 예측 값은 무엇인가?
• RQ3 1.4\,M_\odot 중성자별에 대해 반경($R_{1.4}$), 조임성 변형도($\Lambda_{1.4}$), 핵 포화 밀도의 두 배에서의 압력($P_{2\rho_{\text{sat}}}$)은 각각 어떤 값으로 제약되는가?
• RQ4 질량이 큰 중성자별의 핵심에 쿼크요닉 물질 존재에 대해 유의미한 베이즈 증거가 있는가?
• RQ5 일반 중성자별 가정 하에 비회전 중성자별의 최대 질량 상한선은 무엇인가?

주요 결과

• 대칭 에너지 기울기 파라미터 $L$은 68.3% 신뢰구간에서 $70_{-18}^{+21}$ MeV로 제약된다.
• 일반화된 $L$과 $R_{\text{skin}}^{208}$ 간의 관계식을 활용하여 $^{208}$Pb의 중성자 피부 두께는 $0.204^{+0.030}_{-0.026}$ fm로 예측된다.
• 표준 $1.4\,M_\odot$ 중성자별의 반경은 $12.3 \pm 0.7$ km로 제약된다.
• 1.4\,M_\odot 중성자별의 조임성 변형도는 $330_{-100}^{+140}$로 제약된다.
• 핵 포화 밀도의 두 배에서의 압력은 $4.1_{-1.2}^{+1.5} \times 10^{34}$ dyn cm$^{-2}$로 제약된다.
• 하이브리드 별과 일반 중성자별 모델 간의 베이즈 증거는 유사하여 현재 데이터는 둘 다 일관되며, 질량이 큰 중성자별의 핵심에 쿼크요닉 물질 존재 가능성도 포함된다는 것을 시사한다.