[논문 리뷰] Strange stars with a mirror-dark-matter core confronting with the observations of compact stars

Shu‐Hua Yang, Chun‐Mei Pi외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 08.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 83인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 거친 별(Strange Stars, SSs)이 미러 어둠자기물질(Mirror-Dark-Matter, MDM) 핵을 가질 경우, PSR J0030+0451의 질량 및 반지름 측정치, PSR J0740+6620의 높은 질량, 그리고 GW170817의 조석 변형도를 동시에 설명할 수 있다고 제안한다. 표준 MIT 가방 모델과 중력 상호작용만을 고려한 이중 유체 체계를 사용하여, GW170817 시스템에서 MDM 핵의 질량 분율 fD > 2.5% (Riley 등 데이터 기준) 또는 fD > 3.1% (Miller 등 데이터 기준)일 경우 모든 관측 결과가 일치함을 발견하였으며, 이는 SSs 내 어둠자기물질 핵의 존재를 확인한다.

ABSTRACT

We investigate the structure and the tidal deformability of strange stars (SSs) with a mirror-dark-matter (MDM) core for the standard MIT bag model. We find that to explain the observations of PSR J0740+6620, PSR J0030+0451 and GW170817 simultaneously, SSs in GW170817 should have a MDM core although it is unnecessary for PSR J0740+6620 and PSR J0030+0451 to contain a MDM core. Our study leads to the result that for the standard MIT bag model, the observations of compact stars mentioned above confirm the existence of a dark-matter core inside SSs.

연구 동기 및 목표

• 관측된 밀집 별 성질과 거친 쿼크 물질에 대한 표준 MIT 가방 모델 간의 괴리 문제를 해결하기 위해.
• 미러어둠자기물질(Mirror-Dark-Matter, MDM) 핵이 PSR J0740+6620, PSR J0030+0451, 그리고 GW170817의 모순되는 관측 결과를 어떻게 조율할 수 있는지 조사하기 위해.
• 거친 별이 동시에 질량, 반지름, 그리고 조석 변형도 제약 조건을 만족시키기 위해 필요한 MDM 핵 질량 분율(fD)을 결정하기 위해.
• 현재 천체물리학적 관측 자료를 바탕으로 표준 MIT 가방 모델 내에서 거친 별 내 어둠자기물질 핵의 존재를 확인하기 위해.

제안 방법

• u, d, s 쿼크와 전자를 포함한 거친 쿼크 물질(SQM)에 대해 표준 MIT 가방 모델을 적용하며, 가방 상수 B와 s-쿼크 질량 ms = 93 MeV를 사용한다.
• 일반 물질과의 상호작용은 중력 외에는 없으며, 동일한 상태방정식(EOS)을 사용해 MDM 핵을 모델링한다.
• 중력으로만 결합된 두 유체 체계를 사용하여, SQM 및 MDM 부문에 대해 톨만-오펜하이머-볼코프(Tolman-Oppenheimer-Volkoff, TOV) 방정식을 해결한다.
• 표면 에너지 밀도의 변화에 대한 보정을 고려하여, y(r)에 대한 미분방정식에서 유도된 무차원 조석 라우브 수 k2를 통해 조석 변형도를 계산한다.
• 다섯 가지 관측 제약 조건을 적용한다: (1) 빈도당 에너지 안정성, (2) 비-구성 쿼크 물질 안정성, (3) Mmax ≥ 2.14 M⊙, (4) PSR J0030+0451에 대한 NICER 질량-반지름 데이터, (5) GW170817에서의 Λ(1.4) = 190+390−120.
• 모든 제약 조건이 동시에 만족되는 파rameter 공간을 찾기 위해 MDM 질량 분율 fD = MD/M을 변화시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 미러어둠자기물질(Mirror-Dark-Matter, MDM) 핵을 가진 거친 별이 PSR J0740+6620, PSR J0030+0451, 그리고 GW170817의 질량, 반지름, 조석 변형도 제약 조건을 동시에 만족시킬 수 있는가?
• RQ2 GW170817 시스템에서 관측된 조석 변형도를 다른 밀집 별의 높은 질량 및 반지름 데이터와 조율하기 위해 필요한 MDM의 최소 질량 분율 fD는 얼마인가?
• RQ3 현재 천체물리학적 관측 자료를 바탕으로 표준 MIT 가방 모델 내에서 거친 별 내 어둠자기물질 핵의 존재가 확인되는가?
• RQ4 MDM 핵의 존재는 거친 별의 최대 질량 및 반지름에 어떤 영향을 미치며, 그로 인해 조석 변형도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• MDM 핵이 없는 거친 별에 대해, Mmax ≥ 2.14 M⊙, NICER 데이터, 그리고 Λ(1.4) = 190+390−120라는 네 가지 제약 조건을 동시에 만족하는 매개변수 공간은 겹치지 않으며, 이는 관측 결과와의 괴리함을 시사한다.
• MDM 핵이 있는 거친 별의 경우, 조석 변형도 Λ(1.4)는 MDM 질량 분율 fD가 증가함에 따라 감소하며, 더 큰 가방 상수일수록 더 작은 값이 된다.
• GW170817 시스템에서 관측된 조석 변형도를 다른 관측 결과와 조율하기 위해선 MDM 핵의 질량 분율 fD > 2.5% (Riley 등 NICER 데이터 기준) 또는 fD > 3.1% (Miller 등 NICER 데이터 기준)가 필요하다.
• 본 연구는 PSR J0740+6620, PSR J0030+0451, 그리고 GW170817의 관측 결과가 함께 거친 별 내 어둠자기물질 핵의 존재를 표준 MIT 가방 모델 내에서 지지함을 확인한다.
• 결과는 다른 안정된 어둠자기물질 후보자들이 거친 별 내 핵을 형성할 수 있는 경우에도 정성적으로 동일하게 성립하며, 미러어둠자기물질에 국한되지 않는다.
• 각 거친 별 내 MDM의 질량 분율 fD는 역사에 따라 달라지며, 이는 서로 다른 별들이 다른 핵 조성을 가질 수 있음을 설명한다.