[논문 리뷰] Observational Tests of Neutron Star Relativistic Mean Field Equations of State

Martin Urbanec, Emil Běták외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 07. 20.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 5인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 네 가지 관측 제약 조건을 사용하여 중성자별 물질의 상대론적 평균장 상태방정식(EoS)을 시험한다: 双성자 J0737–3039의 질량–붕일수 관계, RX J1856.35–3754의 질량–반지름 관계, 고립 중성자별의 인구 분석, 최대 질량 한계. 유일하게 모든 관측 시험을 만족시키는 EoS 파arameterization은 H로, 특히 형성 과정 중 질량 손실이 없더라도 엄격한 이중 펄서 제약 조건을 충족시킨다.

ABSTRACT

Set of neutron star observational results is used to test some selected equations of state of dense nuclear matter. The first observational result comes from the mass--baryon number relation for pulsar B of the double pulsar system J 0737--3039. The second one is based on the mass--radius relation coming from observation of the thermal radiation of the neutron star RX J 1856.35--3754. The third one follows the population analysis of isolated neutron star thermal radiation sources. The last one is the test of maximum mass. The equation of state of asymmetric nuclear matter is given by the parameterized form of the relativistic Brueckner-Hartree-Fock mean field, and we test selected parameterizations that represent fits of full relativistic mean field calculation. We show that only one of them is capable to pass the observational tests. This equation of state represents the first equation of state that is able to explain all the mentioned observational tests, especially the very accurate test given by the double pulsar even if no mass loss is assumed.

연구 동기 및 목표

• 선택된 상대론적 평균장 상태방정식(EoS)이 비대칭 핵물질에 대해 여러 천체물리적 관측 결과와 일관된지를 평가하기 위해.
• 형성 과정에서 질량 손실이 거의 없을 것이라는 가정 하에, 이중 펄서 시스템 J0737–3039의 펄서 B에서 관측된 매우 정밀한 질량–붕일수 관계를 EoS가 설명할 수 있는지를 시험하기 위해.
• 고립 중성자별 RX J1856.35–3754의 열복사에서 유추된 질량–반지름 관계에 대해 EoS를 평가하기 위해.
• 직접 URCA 냉각을 통한 최대 질량 제약 조건을 유도하는 고립 중성자별 냉각에 대한 인구 합성 데이터를 사용하여 EoS를 검토하기 위해.
• 편파적 진동(QPO)에서 유도된 최대 질량 한계에 대해 EoS를 검증하기 위해. 다만 QPO 기반 시험은 완전히 결론적이지 않다.

제안 방법

• 다양한 중성자 대 양성자 비율을 갖는 비대칭 핵물질을 모델링하기 위해 상대론적 브루크너-하트리-폭크 평균장 이론의 파arameterized 형태를 사용하였다.
• 고밀도 영역에서 물리적 일관성을 확보하기 위해 β균형 및 전하중성 조건 하에서 양성자 분율을 계산하였다.
• 다양한 중심 밀도 및 압력 조건을 사용하여 구형 대칭, 비회전 중성자별에 대해 톨만-오페너하이머-볼코프(Tolman-Oppenheimer-Volkoff, TOV) 방정식을 해결하였다.
• 질량, 반지름, 붕일수 관계를 유도하기 위해 중심 매개변수의 범위에서 중성자별 모델을 수립하였다.
• 관측 제약 조건 적용: (1) 이중 펄서 J0737–3039의 질량–붕일수, (2) RX J1856.35–3754의 질량–반지름, (3) 냉각 인구 분석, (4) 최대 질량 한계.
• 모든 제약 조건에 대해 EoS 파arameterization을 평가하였으며, 특히 형성 과정 중 질량 손실이 없을 것이라는 가정 하에 엄격한 이중 펄서 시험에 중점을 두었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 형성 과정에서 상당한 질량 손실을 도입하지 않더라도, 상대론적 평균장 EoS는 이중 펄서 시스템 J0737–3039의 펄서 B에서 관측된 질량–붕일수 관계를 설명할 수 있는가?
• RQ2 어느 EoS 파arameterization이 고립 중성자별 RX J1856.35–3754의 열복사에서 추정된 질량–반지름 관계를 가장 잘 재현하는가?
• RQ3 EoS는 낮은 질량을 갖는 고립 중성자별의 관측 인구를 설명할 수 있는가? 이는 직접 URCA 냉각이 발생하지 않는다는 것과 일치한다.
• RQ4 어느 EoS는 QPO 관측 및 기타 천체물리적 한계에서 유도된 최대 질량 제약 조건과 호환되는가?
• RQ5 어느 EoS가 네 가지 관측 시험을 동시에 충족시키며, 특히 엄격한 이중 펄서 제약 조건을 충족하는가?

주요 결과

• 형성 과정 중 질량 손실이 없더라도, 유일하게 상대론적 브루크너-하트리-폭크 평균장 EoS의 H 파arameterization만이 이중 펄서 J0737–3039의 질량–붕일수 제약 조건을 충족시킨다.
• H 파arameterization은 RX J1856.35–3754에 대해 유추된 16.8 km의 명백한 반지름을 설명할 수 있으며, 다른 파arameterization들은 반지름 범위의 하한조차도 이를 충족하지 못한다.
• H 파arameterization은 질량이 1.5 M⊙ 이하인 중성자별이 직접 URCA 과정을 통해 냉각되지 않는다는 인구 합성 제약 조건과 일치한다.
• QPO 관측에서 유도된 최대 질량 시험에서 H 파arameterization만이 조건을 충족시키며, 다른 파arameterization들은 더 약한 변형에서는 통과하지만 이는 여전히 불완전하다.
• H 파arameterization은 상대론적 브루크너-하트리-폭크 이론에 기반한 EoS 중에서 유일하게 네 가지 관측 제약 조건을 동시에 설명할 수 있다.
• RX J1856.35–3754에 대해 20.9 km로 추정된 명백한 반지름은 어떤 테스트된 EoS로도 설명되지 않으며, 이는 거리 또는 모델 가정에 대한 불확실성 때문일 수 있다.