[논문 리뷰] Equation of State of Hot Dense Hyperonic Matter in the Quark-Meson-Coupling (QMC-A) model

J. R. Stone, Verônica Dexheimer외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 25.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 쿼크-메손-결합과 원자(QMC-A) 모델을 사용하여 고온·고밀도 하이퍼온 물질의 새로운 상태방정식(EoS)을 제시한다. 이 모델은 하부바리온 자유도를 포함하고 있으며, 다섯 개인 제약 조건을 갖는다. 온도와 밀도 의존성으로 인해 원시 중성자별과 중성자별 융합 잔재물에서 하이퍼온의 존재가 두드러지게 예측되며, 하이퍼온의 출현으로 인해 음속이 1/3의 동형 한계 이하로 떨어지게 되는데, 이는 일반적으로 쿼크 물질 핵을 시사하는 것으로 간주되지만, 실제로는 탈구속화가 아니라 하이퍼온의 출현에 기인한다.

ABSTRACT

We report a new equation of state (EoS) of cold and hot hyperonic matter constructed in the framework of the quark-meson-coupling (QMC-A) model. The QMC-A EoS yields results compatible with available nuclear physics constraints and astrophysical observations. It covers the range of temperatures from T=0 to 100 MeV, entropies per particle S/A between 0 and 6, lepton fractions from Y$_L$=0.0 to 0.6, and baryon number densities n$_B$=0.05-1.2 fm$^{-3}$. Applications of the QMC-A EoS are made to cold neutron stars (NS) and to hot proto-neutron stars (PNS) in two scenarios, (i) lepton rich matter with trapped neutrinos and (ii) deleptonized chemically equilibrated matter. We find that the QMC-A model predicts hyperons in amounts growing with increasing temperature and density, thus suggesting not only their presence in PNS but also, most likely, in NS merger remnants. The nucleon-hyperon phase transition is studied through the adiabatic index and the speed of sound c$_s$. It is shown that the lowering of (c$_s$/c)$^2$ to and below the conformal limit of 1/3 is a general consequence of instabilities due to any phase transition and is not a unique fingerprint of the hadron-quark matter transition. Rigid rotation of cold and hot stars, their moments of inertia and Kepler frequencies are also explored. The QMC-A model results are compared with two relativistic models, the chiral mean field model (CMF), and the generalized relativistic density functional with hyperons (GRDF-Y). Similarities and differences are discussed.

연구 동기 및 목표

• 쿼크 수준의 역학에 기반하여 고온·고밀도 하이퍼온 물질의 새로운 자기일관성 있는 상태방정식(EoS)을 개발하는 것.
• 온도, 엔트로피, 렙톤 분율, 화학적 평형이 중성자별과 원시 중성자별에서 하이퍼온의 존재에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 하이퍼온이 중성자별의 주요 천체적 성질인 등온계수수, 음속, 관성모멘트, 킬러프 주파수에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 냉각 중성자별, 원시 중성자별(PNS-I 및 PNS-II), 그리고 뜨겁고 회전하는 구성에 대해 기존의 상대론적 모델(CMF 및 GRDF)과 QMC-A EoS를 비교하는 것.
• 최근 천체물리 관측, 특히 GW190814와 향후 NICER/BNSM 데이터에 대한 EoS의 함의를 평가하고, 공개용 EoS 표를 제공하는 것.

제안 방법

• 핵물질의 성질에 의해 제약 조건이 설정된 다섯 개의 조정 가능한 매개변수를 갖는 Quark-Meson-Coupling with Atoms(QMC-A) 모델을 사용한다. 이 모델은 바리온을 평균장 내에 갇힌 쿼크로 기술한다.
• 0.05에서 1.2 fm⁻³까지의 바리온 밀도, 0에서 100 MeV까지의 온도, 0에서 6까지의 입자당 엔트로피, 0.0에서 0.6까지의 렙톤 분율을 포함하는 포괄적인 EoS를 구성한다.
• 두 가지 다른 PNS 시나리오를 구현한다: (i) 갇힌 뉴트리노를 포함한 렙톤 농도가 높은 물질(PNS-I), (ii) 렙톤 제거되고 화학적 평형에 도달한 물질(PNS-II).
• 느린 강체 회전을 모델링하기 위해 Hartle-Thorne 근사법을 사용하고, 냉각 및 뜨거운 별에 대해 관성모멘트와 킬러프 주파수를 계산한다.
• 안정성과 단계 전이의 징후, 특히 하이퍼온의 출현을 식별하기 위해 등온계수수와 음속(𝑐𝑠)을 계산한다.
• 두 가지 다른 모델, 즉 카이랄 평균장(CMF)과 일반화된 상대론적 밀도 기반 기능(그리고 DD2 및 DD2Y-T 상호작용 포함된 GRDF)과 결과를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 QMC-A 모델은 온도, 밀도, 렙톤 분율의 함수로서 고온·고밀도 물질에서 하이퍼온의 출현과 농도를 어떻게 예측하는가?
• RQ2 하이퍼온 생성으로 인해 음속이 1/3의 동형 한계(𝑐²𝑠 < 1/3) 이하로 떨어지는 정도는 어느 정도이며, 이는 쿼크 물질의 징후로 오해될 수 있는가?
• RQ3 QMC-A 모델에서 냉각 중성자별과 뜨거운 원시 중성자별 간의 관성모멘트와 킬러프 주파수의 차이는 어떻게 다른가?
• RQ4 QMC-A 모델의 최대 중력질량과 천체적 구조 예측이 CMF 및 GRDF 모델과 비교하여 어떻게 다른가?
• RQ5 QMC-A EoS는 GW190814의 보조 성분, 특히 질량 탈출 한계 근처에서의 고속 회전 조건을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• QMC-A 모델은 온도와 밀도가 증가함에 따라 하이퍼온 함량, 특히 Λ와 Σ⁻이 크게 증가함을 예측하며, 이는 원시 중성자별과 중성자별 융합 잔재물에서의 하이퍼온 존재 가능성을 시사한다.
• 고밀도 영역에서 음속(𝑐𝑠)이 1/3의 동형 한계 이하로 떨어지며, 이는 이전에는 쿼크 물질 핵으로 간주되었으나, 본 연구에서는 탈구속화가 아니라 하이퍼온의 출현에 기인함을 입증한다.
• PNS-I 시나리오(간직된 뉴트리노 포함)에서는 전자 농도가 높아 하이퍼온 비율이 억제되지만, PNS-II 시나리오(렙톤 제거된 상태)에서는 전하 중성 유지 목적의 하이퍼온 함량이 증가한다.
• QMC-A EoS는 현재 관측한 한계에 부합하는 냉각 중성자별의 최대 중력질량을 도출하며, 정교한 조정이 필요 없이 '하이퍼온 수수께끼'를 해결한다.
• 냉각 중성자별의 경우 관성모멘트와 중력질량, 밀도 간의 관계는 보편적이지만, 뜨거운 원시 중성자별에서는 이 관계가 붕괴되며, 이는 그들의 열역학적 복잡성 반영이다.
• RNS 코드를 사용해 킬러프 질량 탈출 한계에서 계산한 냉각 및 뜨거운 별의 최대 중력질량 상한선은 GW190814의 보조 성분이 초거대하고 고속으로 회전하는 중성자별임을 해석하는 데 일치한다.