[논문 리뷰] The millisecond pulsar mass distribution: Evidence for bimodality and constraints on the maximum neutron star mass

John Antoniadis, Thomas M. Tauris외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 05.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 15인용 수 102

한 줄 요약

MSP 질량에 대한 베이지안 분석을 통해 저자들은 강하게 이중모드 질량 분포를 발견하고 최대 중성자별 질량의 하한(M_max ≥ 2.018 M⊙ at 98% CL)을 도출하며, 이로써 중성자별 상태방정식과 향후 조사에 시사점을 제시한다.

ABSTRACT

The mass function of neutron stars (NSs) contains information about the late evolution of massive stars, the supernova explosion mechanism, and the equation-of-state of cold, nuclear matter beyond the nuclear saturation density. A number of recent NS mass measurements in binary millisecond pulsar (MSP) systems increase the fraction of massive NSs (with $M > 1.8$ M$_{\odot}$) to $\sim 20\% $ of the observed population. In light of these results, we employ a Bayesian framework to revisit the MSP mass distribution. We find that a single Gaussian model does not sufficiently describe the observed population. We test alternative empirical models and infer that the MSP mass distribution is strongly asymmetric. The diversity in spin and orbital properties of high-mass NSs suggests that this is most likely not a result of the recycling process, but rather reflects differences in the NS birth masses. The asymmetry is best accounted for by a bimodal distribution with a low mass component centred at $1.393_{-0.029}^{+0.031}$ M$_{\odot}$ and dispersed by $0.064_{-0.025}^{+0.064}$ M$_{\odot}$, and a high-mass component with a mean of $1.807_{-0.132}^{+0.081}$ and a dispersion of $0.177_{-0.072}^{+0.115}$ M$_{\odot}$. We also establish a lower limit of $M_{max} \ge 2.018$ M$_{\odot}$ at 98% C.L. for the maximum NS mass, from the absence of a high-mass truncation in the observed masses. Using our inferred model, we find that the measurement of 350 MSP masses, expected after the conclusion of pulsar surveys with the Square-Kilometre Array, can result in a precise localization of a maximum mass up to 2.15 M$_{\odot}$, with a 5% accuracy. Finally, we identify possible massive NSs within the known pulsar population and discuss birth masses of MSPs.

연구 동기 및 목표

• 업데이트된 질량 측정으로 밀리초 펄사(MSP)의 고유 질량 분포를 평가한다.
• MSP 질량의 가장 적합한 표현을 결정하기 위해 단일 모델 대 다성분 모델을 검증한다.
• 중성자별 상태방정식(EoS) 및 최대 질량 제약에 대한 시사점을 추론한다.
• 향후 조사(SKA 등)가 M_max 추정치를 어떻게 정교화할 수 있는지 예측한다.

제안 방법

• 이질적인 측정치(정확한 질량, 총 질량 제약, 질량 비를 포함)로 MSP 질량 가능도(likelihoods)를 계산한다.
• 베이지안 추론과 MCMC 샘플링을 사용하여 경험적 질량 분포 모델(단일 가우시안 vs. 이중 모드 가우시안)을 비교한다.
• 모형 복잡성을 벌하기 위해 AICc를 사용한 모형 선택을 한다.
• 상단 질량 끝을 제약하기 위해 절단 질량 M_max를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MSP 질량 분포가 단일 가우시안으로 더 잘 묘사되는가, 아니면 이중 모드(두 개의 가우시안) 모델인가?
• RQ2 선호하는 MSP 질량 분포의 매개변수(평균, 분산, 상대 기여도)는 무엇인가?
• RQ3 현재 데이터에 비추어 MSP 질량 분포가 최대 중성자별 질량 M_max의 의미 있는 하한을 허용하는가?
• RQ4 추정된 분포가 중성자별 상태방정식에 어떤 시사점을 주며, 향후 조사들이 M_max 제약을 어떻게 더 좁힐 수 있는가?

주요 결과

• 데이터는 단일 가우시안보다 이중 모드 MSP 질량 분포를 선호하며, 모델 비교로 정량된다(AICc가 모델 II를 선호).
• 최적의 이중 모드 모델은 구성요소가 μ1 = 1.396 M⊙, σ1 = 0.045 M⊙에 중심을 두고, μ2 = 1.807 M⊙, σ2 = 0.177 M⊙에 중심을 두며, 상대 가중치 r = 0.425이다.
• 분리 통계량 D는 높질량 구성요소가 뚜렷하다는 것을 시사하며, D = 3.12^{+1.95}_{-1.61}이고 샘플의 73%가 D ≥ 2이다.
• 최대 NS 질량의 견고한 하한이 있다: M_max ≥ 2.018 M⊙ at 98% confidence level (and ≥ 1.924 M⊙ at 99.98% CL).
• 현재 MSP 샘플의 고질량 꼬리와 고질량 절단의 부재가 M_max 제약의 근거가 되며; 향후 SKA 시대 샘플(약 350개 MSP)은 M_max를 약 2.15 M⊙로 약 5% 정확도로 국지화할 수 있다.
• 분석은 대체 탄생-축적 시나리오(Model III)를 고려하지만 관찰된 MSP 질량을 설명하는 데 이중 모드 해석보다 덜 선호하는 것으로 나타났다.