[논문 리뷰] GW190814: Circumstantial Evidence for Up-Down Quark Star

Zheng Cao, Lie-Wen Chen외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 02.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 질량 2.59 M☉인 GW190814의 보조 성분이 이상 쿼크 별이 아니라 업-다운 쿼크 별(ud QS)일 가능성이 높다고 제안한다. 쿼크 격리와 쿼크 대칭 복원을 포함하는 격리 쿼크 물질 모형을 사용하여, 핵물질과 이방성 쿼크 물질보다 더 높은 안정성을 가지는 ud QM이 최대 정적 질량 2.87 M☉를 갖는다는 것을 보여주며, 이는 GW170817의 조성 변형 및 NICER의 PSR J0030+0451/J0740+6620 질량-반지름 제약 조건과 일치한다. 반면, 전통적인 SQS 모형은 이러한 제약 조건을 충족하지 못한다.

ABSTRACT

Within a confining quark matter model which considers phenomenologically the quark confinement and asymptotic freedom as well as the chiral symmetry restoration and quark deconfinement at high baryon density, we find that if the up-down quark matter ($ud$QM) is more stable than nuclear matter and strange quark matter (SQM), the maximum mass of static quark stars with $ud$QM is $2.87M_{\odot}$ under agreement with both the constraints on star tidal deformability from gravitational wave signal GW170817 and the mass-radius of PSR J0030+0451 and PSR J0740+6620 measured by NICER. In contrast, the conventional strange quark star with the SQM that is more stable than nuclear matter while the nuclear matter is more stable than $ud$QM, has a maximum static mass of only $1.87M_{\odot}$ and its radius significantly deviates from NICER's constraint. Our results thus provide circumstantial evidence suggesting the recently reported GW190814's secondary component with a mass of $2.59^{+0.08}_{-0.09}M_\odot$ could be an up-down quark star.

연구 동기 및 목표

• GW190814 이중성계의 보조 성분으로서 업-다운 쿼크 별(ud QS)의 타당성을 평가하기 위해.
• 격리 쿼크 물질 모형 내에서 업-다운 쿼크 물질(ud QM)이 핵물질과 이방성 쿼크 물질(SQM)보다 더 안정한지 평가하기 위해.
• GW170817의 조성 변형 및 NICER의 PSR J0030+0451과 J0740+6620 질량-반지름 측정치로부터의 관측 제약 조건을 충족하는지 ud QS 모형을 테스트하기 위해.
• 핵물질보다 더 안정한 것으로 가정하는 전통적인 이방성 쿼크 별(SQS) 모형과의 대비를 위해.

제안 방법

• 고립 밀도에서 쿼크 격리, 점근 자유도, 쿼크 대칭 복원을 포함하는 격리 쿼크 물질(CQM) 모형을 사용하여.
• CQM 모형에서 유도된 상태방정식(EOS)을 활용해 정적 쿼크 별의 구조(질량 및 반지름)를 계산하기 위해 톨만-오펜하이머-볼코프(Tolman-Oppenheimer-Volkoff, TOV) 방정식을 적용하여.
• GW170817의 조성 변형(Λ ~ 300) 및 NICER의 PSR J0030+0451과 J0740+6620 측정치를 적용하여 모형의 일관성을 테스트하기 위해.
• 다른 안정성 가정 하에 ud QS와 전통적 SQS의 예측 최대 질량 및 반지름을 비교하기 위해.
• 표면 장력 평가를 통해 가상의 ud QM 조각(ud lets)의 안정성을 평가하기 위해 질량 공식과 토머스-페르미 근사법을 사용하여.
• CQM 모형의 해밀토니안을 사용하여 쿼크 벡터 상호작용이 표면 장력과 곡률 에너지를 증가시키는 역할을 탐색하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 업-다운 쿼크 물질(ud QM)이 핵물질과 이방성 쿼크 물질(SQM)보다 더 안정할 수 있는가? 이는 안정적인 업-다운 쿼크 별(ud QS) 형성 가능성을 높인다.
• RQ2 핵물질보다 더 안정한 ud QM을 가정할 경우, ud QS 모형이 GW170817의 조성 변형 제약 조건을 충족하는가?
• RQ3 ud QS 모형이 NICER가 관측한 PSR J0030+0451과 J0740+6620의 질량-반지름 측정치를 재현할 수 있는가?
• RQ4 왜 전통적인 이방성 쿼크 별(SQS) 모형은 GW170817과 NICER의 병합 제약 조건을 충족하지 못하는가?
• RQ5 294Og 같은 초중량 핵이 ud QM 조각으로 붕괴되는 것을 방지하기 위해 필요한 ud QM의 표면 장력은 얼마인가?

주요 결과

• 핵물질과 이방성 쿼크 물질(SQM)보다 더 안정한 업-다운 쿼크 물질(ud QM)을 가정할 경우, 업-다운 쿼크 별(ud QS)의 최대 정적 질량은 2.87 M☉이며, 이는 관측 제약 조건과 일치한다.
• 핵물질보다 더 안정한 것으로 가정하는 전통적인 이방성 쿼크 별(SQS)의 최대 정적 질량은 단지 1.87 M☉이며, 이는 NICER의 반지름 제약 조건에서 크게 벗어난다.
• 이 모형은 ud QS 모형에서 Λ(1.4 M☉) = 675 및 Λ(q=0.73) = 720을 예측하며, 이는 GW170817의 제약 조건 Λ ~ 300을 충족한다.
• νs = 1.08인 비전통적 SQS 모형(ucSQS2.80)은 NJL 모형이 예측하는 이방성 쿼크 질량(Ms)의 밀도 의존성과 위반하므로 강하게 불리한 것으로 간주된다.
• 294Og가 ud QM 조각으로 붕괴되는 것을 방지하기 위해 ud QM의 표면 장력은 ≥165 MeV/fm²여야 하며, 이 값은 NJL 모형의 예측과 일치하지만, 쿼크-메손 모형의 19.35 MeV/fm²보다는 훨씬 높다.
• 이 연구는 ud QM 조각(ud lets)이 핵물질의 지형에서 새로운 '안정의 섬'을 형성할 수 있으며, 고에너지 핵반응 및 이중 쿼크 별 융합에서 생성될 가능성이 있음을 시사한다.