[논문 리뷰] Neutron star cooling and GW170817 constraint within quark-meson coupling models

O. Lourenço, César H. Lenzi외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 17.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 126인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 중성자별의 중력파 제약 조건(GW170817)과 중성자별 냉각 관측 결과를 바탕으로 다섯 종류의 쿼크-메손 결합(QMC) 모델—원래의 백색 포텐셜을 기반으로 한 두 가지와 조화 진동자 쿼크 비틀림을 사용한 세 가지—을 평가한다. 대칭 에너지 기울기와 GW170817 준수 여부 사이에 명백한 상관관계는 발견되지 않았지만, 높은 대칭 에너지 기울기와 더 빠른 냉각 사이에 강한 연관성이 있음을 확인했으며, 어느 한 모델도 동시에 두 제약 조건을 충족시키지는 못했다.

ABSTRACT

In the present work we used five different versions of the quark-meson coupling (QMC) model to compute astrophysical quantities related to the GW170817 event and to neutron star cooling process. Two of the models are based on the original bag potential structure and three versions consider a harmonic oscillator potential to confine the quarks. The bag-like models also incorporate the pasta phase used to describe the inner crust of neutron stars. We show that the pasta phase always play a minor or negligible role in all studies. Moreover, while no clear correlation between the models that satisfy the GW170817 constraints and the slope of the symmetry energy is found, a clear correlation is observed between the slope and the fact that the cooling is fast or slow, i.e., fast (slow) cooling is related to higher (lower) values of the slope. We did not find one unique model that can describe, at the same time, GW170817 constraints and give a perfect description of the possible cooling processes.

연구 동기 및 목표

• GW170817의 조임력 변형성 및 질량-반지름 관계 제약 조건과 다섯 종류의 QMC 모델 변형 간의 일관성을 평가하기 위해.
• 중성자별 내부 고체에서 페이스타 상이 조임력 극성도 및 냉각에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 특정 QMC 모델이 동시에 GW170817 제약 조건을 충족시키고 관측된 중성자별 냉각 행동을 재현할 수 있는지 확인하기 위해.
• 다양한 QMC 형식에서 대칭 에너지 기울기가 냉각 역학 및 조임력 성질에 미치는 영향을 탐색하기 위해.
• 적축的大기의 냉각 시뮬레이션에서 표면 온도 진화에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 백색 포텐셜(ωρ 상호작용 포함)을 사용한 두 가지와 조화 진동자 쿼크 비틀림을 사용한 세 가지 QMC 모델 변형을 활용.
• 스칼라(σ), 벡터(ω, ρ), 그리고 편광자(π) 메손 필드를 포함한 평균장 근사법을 사용해 상태 방정식(EOS)을 계산.
• 백색 기반 모델의 내부 고체에 페이스타 상을 포함하여 비균일한 핵물질 구조를 모델링.
• GW170817의 사후 제약 조건과 비교하기 위해 1.4 M☉ 중성자별의 조임력 극성도(Λ)와 레이브 수를 계산.
• URCA 과정, 진동자 방출, 광자 방출 메커니즘을 사용해 냉각을 모의하는 열진화 시뮬레이션을 수행.
• 관측 결과와의 일치를 향상시키기 위해 표면 온도에 영향을 주는 10⁻¹⁰ M☉의 적축 대기를 테스트.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어느 QMC 모델 변형이 GW170817의 조임력 변형성 및 질량-반지름 관계 제약 조건을 충족하는가?
• RQ2 대칭 에너지 기울기가 QMC 모델이 GW170817 제약 조건을 충족하는 데 성공할 수 있는 능력과 어떻게 상관되는가?
• RQ3 페이스타 상은 중성자별의 조임력 극성도 및 냉각 속도에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 GW170817 제약 조건과 관측된 중성자별 냉각 행동을 동시에 설명할 수 있는 유일한 QMC 모델이 존재하는가?
• RQ5 적축 대기는 QMC 기반 모델에서 표면 온도 진화 및 냉각 속도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• GW170817의 정준 1.4 M☉ 중성자별에 대한 90% 신뢰구간 내 조임력 변형성 값을 도출한 모델은 QMC ωρ와 MQMC3 두 모델 뿐이었다.
• 대칭 에너지 기울기와 모델이 GW170817 제약 조건을 충족하는 데 성공할 수 있는 능력 사이에 명백한 상관관계는 발견되지 않았다.
• 대칭 에너지 기울기와 냉각 속도 사이에 강한 상관관계가 존재한다: 기울기 값이 클수록 냉각 속도가 빨라지고, 기울기가 낮을수록 냉각 속도가 느려진다.
• 페이스타 상은 조임력 극성도와 냉각에 미치는 영향이 미미하며, 초전도성 없이 고려할 경우 냉각 속도가 약 3.5년 빨라지는 정도였다.
• QMC(페이스타 포함) 및 MQMC2 모델이 관측된 냉각 데이터와 가장 잘 일치했지만, 어느 모델도 가장 높은 관측 표면 온도를 완전히 재현하지 못했다.
• 소규모 10⁻¹⁰ M☉의 적축 대기는 표면 온도 일치도를 향상시켰지만, 흑체 복사 강화로 인해 후기 냉각 단계에서 냉각 속도가 빨라졌다.