[논문 리뷰] Effect of the symmetry energy and hyperon interaction on neutron stars

Daniel Pessoa da Silva Bizarro, Aziz Rabhi외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 17.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 상대론적 평균장 프레임워크를 사용하여 대칭 에너지의 밀도 의존성과 하이퍼온 상호작용이 중성자별 성질에 미치는 영향을 조사한다. 연구 결과, 2 M☉ 중성자별을 달성하기 위해서는 상호작용이 상호작용하는 하이퍼온(YY) 상호작용과 중간 정도의 대칭 에너지 기울기(L ≈ 80 MeV)가 필수적임을 밝혀냈다. 반면, Σ의 잠재력이 매력적인 경우, 1 M☉ 정도의 매우 가벼운 별에서도 이국성 물질이 나타날 수 있으며, 중성자별 반지름은 약 10.5 km의 기울기로 총 이색성 분율과 선형 상관관계를 보인다.

ABSTRACT

The joint effect of the density dependence of the symmetry energy and strangeness content on the structure of cold neutron stars is studied within the framework of a relativistic mean field theory. It is shown that 2$M_\odot$ are obtained for repulsive $YY$ interaction and preferably for a small or a large slope $L$. An attractive $Σ$ potential in nuclear matter will favor the appearance of strangeness in stars with a mass as small as $\sim 1 M_\odot$, if, however it is repulsive only stars with a mass $\gtrsim 1.4 M_\odot$ will contain strangeness. The joint effect of reducing the symmetry energy slope and including hyperons is to farther reduce the radius. Neutron star maximum mass evolve non-monotonically with the symmetry energy slope, and the smallest masses are obtained for values $L\sim 80$ MeV. Other neutron star variables evolve nonlinearly with the slope of the symmetry energy and depend on the hyperon-nucleon and hyperon-hyperon couplings. The radius of a neutron star is linearly correlated with the neutron star total strangeness fraction and the slope is independent of the slope of the symmetry energy and the mass of the star.

연구 동기 및 목표

• 대칭 에너지의 밀도 의존성과 하이퍼온 상호작용이 중성자별의 구조에 미치는 병합 영향을 조사하기 위해.
• 하이퍼온을 포함하면서도 2 M☉에 도달할 수 있는 조건을 규명하기 위해.
• 핵물질 내 Σ 하이퍼온 잠재력이 이색성의 출현 조건에 어떻게 영향을 주는지 평가하기 위해.
• 중성자별 반지름과 총 이색성 분율 사이의 선형 상관관계를 검토하기 위해.
• 대칭 에너지 기울기(L)와 하이퍼온 결합 계수들이 질량, 반지름, 이색성 함량을 결정하는 데 어떻게 기여하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 대칭 에너지의 밀도 의존성을 조정하고 L를 50에서 110 MeV 사이로 변화시키기 위해 비선형 σρ 및 ωρ 항을 포함한 상대론적 평균장(RMF) 라그랑지안을 사용하였다.
• 기준선으로 TM1 파arametrization을 사용하고, φ 및 ρ 메손에 대해 SU(6) 대칭과 붕괴된-SU(6) 경우를 포함한 하이퍼온 결합의 변형을 적용하였다.
• 핵물질 내에서 Λ 잠재력을 −28 MeV로 정의하고, 다양한 Σ 및 Ξ 잠재력을 매력적에서 상호작용하는 것으로 변화시켜 시험하였다.
• 일부 파arametrization에서 매력적인 하이퍼온-하이퍼온 상호작용을 모델링하기 위해 은폐된 이색성 σ* 메손을 포함시켰다.
• 각 파arametrization에 대해 중성자별 질량, 반지름, 중심 밀도를 계산하기 위해 톨만-오펜하이머-볼코프 방정식을 수치적으로 해결하였다.
• 다양한 질량과 L 값에서 반지름과 총 이색성 분율 사이의 선형 상관관계를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대칭 에너지 기울기 L과 하이퍼온-하이퍼온 상호작용이 중성자별의 최대 질량에 미치는 병합 효과는 무엇인가?
• RQ2 핵물질 내 Σ 하이퍼온 잠재력이 중성자별 내 이색성의 출현에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ3 중성자별 반지름은 총 이색성 분율과 선형 상관관계를 가지는가? 이 기울기는 L과 별의 질량에 독립적인가?
• RQ4 하이퍼온이 존재하는 조건에서 2 M☉ 중성자별을 달성할 수 있는가? 이를 위해 필요한 하이퍼온 상호작용 조건은 무엇인가?
• RQ5 하이퍼온 결합의 다양한 파arametrization은 중성자별의 질량-반지름 관계와 중심 밀도에 어떻게 영향을 주는가?

주요 결과

• 2 M☉에 이르는 중성자별을 달성하기 위해서는 하이퍼온-하이퍼온(YY) 상호작용이 상호작용하는 것이 필수적이며, 특히 중간 정도의 대칭 에너지 기울기와 함께 작용할 때 특히 중요하다.
• 최대 중성자별 질량는 대칭 에너지 기울기 L에 따라 비단조화적으로 변화하며, L ≈ 80 MeV에서 최소값을 보인다.
• 핵물질 내에서 Σ 잠재력이 매력적인 경우, 이색성이 약 1 M☉ 정도의 매우 가벼운 별에서도 나타날 수 있으나, 상호작용하는 Σ 잠재력은 이색성을 M ≳ 1.4 M☉인 별에 국한시킨다.
• 중성자별 반지름은 총 이색성 분율과 선형 상관관계를 보이며, 이 기울기는 약 10.5 km/단위 이색성으로, L과 별의 질량에 독립적이다.
• L를 110에서 50 MeV로 감소시키면, 매력적인 YY 상호작용이 있는 하이퍼온 별의 경우 2 M☉ 중성자별 반지름이 최대 1 km 감소하는 반면, 핵물질 별의 경우 약 0.5 km 감소한다.
• 이 연구는 고밀도 영역에서 대칭 에너지의 밀도 의존성을 제약하는 것이 중성자별 관측 결과를 해석하는 데 매우 중요하다는 점을 확인하였으며, 이는 질량, 반지름, 이색성 함량에 크게 영향을 준다.