[논문 리뷰] Exploring hybrid equation of state with constraints from tidal deformability of GW170817

Qing-Wu Wang, Chao Shi외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 05.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 중성자별에 대한 하이브리드 상태방정식(EOS)을 압력-바리온 화학적 포텐셜 평면에서 P-μ 보간 방법을 사용하여 구축한다. 이는 쿼크 상에 대해 자기일관적인 두 쿼크 종류의 나무-존아-라스키오(NJL) 모형과 강입자 상에 대해 상대론적 평균장(RMF) 이론을 조합한 것이다. 연구 결과, 벡터 채널의 강도 매개변수 α를 증가시키면 EOS가 더 딱딱해지며, 이는 2 M⊙를 초과하는 최대 중성자별 질량을 가능하게 한다. 또한, 보간 폭 Γ를 증가시켜 전이 영역을 넓힐 경우, GW170817의 조건과 일치하는 타원도 변형 예측을 할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

With a interpolation method on the P-$μ$ plane, a hybrid equation of state is explored. The quark phase is described by our newly developed self-consistent two-flavor Nambu$-$Jona-Lasinio model. It retains the contribution from the vector channel in the Fierz-transformed Lagrangian by introducing a weighting parameter $α$ [Chin. Phys. C extbf{43}, 084102 (2019)]. In the hadron phase we use the relativistic mean-field theory. We study the dependence of hybrid EOS and mass-radius relation on $α$. It is found that increasing $α$ makes the hybrid EOS softer in the medium pressure. We can get stellar mass larger than $2M_\odot$. Further, we calculate the tidal deformability $ ildeΛ$ for binary stars and compare with recent analysis GW170817 [Phys. Rev. X extbf{9}, 011001 (2019)].

연구 동기 및 목표

• 중성자별의 하이브리드 상태방정식(EOS)을 새로운 P-μ 평면 보간 방법을 사용하여 강입자 상과 쿼크 상을 부드럽게 연결하는 것을 목적으로 한다.
• 자기일관적인 두 쿼크 종류의 NJL 모형에서의 벡터 채널 강도 매개변수 α가 하이브리드 EOS의 딱딱함과 최대 질량에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 하이브리드 EOS에서 예측한 타원도 변형이 GW170817 이중 중성자별 병합 관측 결과의 제약 조건과 일치하는지 테스트하는 것.
• 현재 중성자별 데이터를 설명하는 데 있어, 맥스웰 구성에 의한 1차 전이보다 지브스 구성에 의한 연속 전이가 더 타당한지 평가하는 것.

제안 방법

• 보간 함수 f±(μ)를 사용하여 P-μ 평면에서 강입자 상과 쿼크 상을 부드럽게 연결하며, 혼합 상의 중심 화학적 포텐셜 μc와 전이 영역의 반폭 Γ를 매개변수로 정의한다.
• 전체 에너지 밀도는 ε(μ) = εH(μ)f−(μ) + εQ(μ)f+(μ) + Δε로 계산되며, 보정 항 Δε를 통해 열역학적 일관성을 확보한다.
• 강입자 상은 상대론적 평균장(RMF) 이론의 NL3 매개변수 세트로 기술되며, 쿼크 상은 조정 가능한 벡터 채널 강도 α를 가진 자기일관적인 두 쿼크 종류의 NJL 모형으로 기술된다.
• 상전이는 지브스 구성에 의해 연속 전이로 모델링되어, 바리온 수 밀도의 불연속성을 피하고 부드러운 질량-반경 관계를 가능하게 한다.
• 모델은 탈구속 화학적 포텐셜과 바리온 화학적 포텐셜의 평형 조건을 맞추어 μc와 Γ를 α의 함수로 고정함으로써 校정된다.
• 이중 시스템의 타원도 변형 Λ̃을 계산하고, 1.16에서 1.60 M⊙ 사이의 구성 질량에 대해 GW170817 제약 조건 Λ̃ = 300+420−230과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NJL 모형 내에서의 벡터 채널 강도 매개변수 α는 하이브리드 상태방정식의 딱딱함과 최대 질량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 지브스 구성에 의한 연속 전이를 통해 얻은 타원도 변형 예측은 GW170817에서 관측된 결과와 일치하는가?
• RQ3 고질량 중성자별 관측 결과와 GW170817 제약 조건을 모두 만족하는 하이브리드 EOS를 얻기 위해 필요한 보간 매개변수 μc와 Γ의 값은 무엇인가?
• RQ4 넓은 전이 영역을 가진 하이브리드 EOS는 맥스웰 구성에 의한 질량-쌍둥이 현상을 피하는가?
• RQ5 이 하이브리드 모형에서 1.4 M⊙ 중성자별의 반경은 예측되며, 현재의 관측 제약 조건을 만족하는가?

주요 결과

• 벡터 채널 매개변수 α를 0.5에서 0.9로 증가시키면 하이브리드 EOS가 더 딱딱해지며, 최대 중성자별 질량이 2 M⊙를 초과하게 된다.
• α ≥ 0.7일 경우 최대 질량이 2 M⊙를 초과하여, PSR J1614−2230(1.928±0.017 M⊙), PSR J0348+0432(2.01±0.04 M⊙), MSP J0740+6620(2.14+0.10−0.09 M⊙)의 제약 조건을 충족한다.
• α = 0.5, Γ = 500 MeV, μc = 1300 MeV일 경우, 1.16 M⊙–1.609 M⊙ 이중 시스템의 타원도 변형 Λ̃은 330.689이며, GW170817 제약 조건 300+420−230 내에 포함된다.
• Γ를 600 MeV로 증가시키면 타원도 변형 Λ̃ 값이 GW170817 분석의 선호 범위에 들어가, 관측 결과와의 일치성이 향상됨을 나타낸다.
• 1.4 M⊙ 중성자별의 반경은 쿼크 진공 압력에 따라 ≤13.76 km 또는 ≤13.6 km로 예측되며, 모델에 따라 변하는 관측 제약 조건을 충족한다.
• 모델은 넓은 연속 전이 영역(지브스 구성)을 가진 하이브리드 EOS가 타당하며, 순수 강입자 또는 맥스웰 구성 기반 하이브리드 EOS는 타원도 변형 데이터에 의해 배제됨을 보여준다.