[논문 리뷰] The scenario of two families of compact stars 1. Equations of state, mass-radius relations and binary systems

A. Drago, A. Lavagno외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 07.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 91인용 수 49

한 줄 요약

이 논문은 압축성 별의 이중 가족 시나리오를 제안한다. 여기서 강입자 별(최대 질량 ~1.6 M⊙, 작은 반지름)과 쿼크 별(최대 질량 ~2.75 M⊙, 큰 반지름)이 공존한다. 이는 초기에 Δ-이소스파가 나타나고 초입자가 소프트닝되는 강입자 상태방정식이, 쿼크 물질이 형성되지 않는 한 고질량 강입자 별이 불가능하게 만든다는 주장을 펼친다. 이 모델은 고질량 측정치(예: 2 M⊙)와 작은 반지름 관측치를 동시에 설명하기 위해, 고질량 별은 쿼크 별 가족에 속이고, 압축성 있는 별은 강입자 별 가족에 속하게 함으로써 모순을 해소한다.

ABSTRACT

We present several arguments which favor the scenario of two coexisting families of compact stars: hadronic stars and quark stars. Besides the well known hyperon puzzle of the physics of compact stars, a similar puzzle exists also when considering delta resonances. We show that these particles appear at densities close to twice saturation density and must be therefore included in the calculations of the hadronic equation of state. Such an early appearance is strictly related to the value of the L parameter of the symmetry energy that has been found, in recent phenomenological studies, to lie in the range $40

연구 동기 및 목표

• 관측된 고질량(~2 M⊙)과 작은 반지름(~10 km) 간의 갈등을 해결하기 위해.
• 밀도가 약 2 n₀에 가까운 곳에서 초기에 Δ-이소스파와 초입자가 나타나는 것으로 인해 강입자 상태방정식이 소프트닝되는 문제를 다루기 위해.
• 페르투르바티브 QCD에 기반한 상태방정식에 의해 2.75 M⊙까지 질량을 지닌 쿼크 별이 가능하다는 점을 주장함으로써 이중 가족 시나리오를 가능하게 하기 위해.
• 관측된 질량과 반지름 제약 조건을, 고질량 별은 쿼크 별이고, 압축성 있는 별은 강입자 별이라고 가정한 모델과 조율하기 위해.
• 이중계에서의 강입자 별에서 쿼크 별로의 전이가 미세초기 펄서에 미치는 영향을 탐색하기 위해, 특히 저질량 X선 이중성계의 밀리초 펄서를 중심으로 한다.

제안 방법

• 핵자, 초입자, Δ-이소스파를 포함한 강입자 상태방정식을 계산하기 위해 비선형 상대론적 Walecka 유형 모델과 SFHo 매개변수화를 사용한다.
• 대칭 에너지 매개변수 L(40 < L < 62 MeV)를 사용하여 뜨겁고 렙톤 농도가 높은 강입자 물질에서 초입자와 Δ-이소스파 형성의 임계 밀도를 계산한다.
• 페르투르바티브 QCD 계산을 적용하여 쿼크 별 상태방정식을 유도하고, 최대 질량 2.75 M⊙를 예측한다.
• 이론적 질량-반지름 관계를 펄서와 X선 이중성계의 관측 데이터와 비교한다.
• 밀리초 펄서 이중성계의 궤도 이심률을 분석하여, 이중성계 진화 중에 강입자 별에서 쿼크 별로의 상전이가 일어날 수 있음을 추론한다.
• AMS-02와 달 표면 샘플에서의 기존 제한 조건을 사용하여, 압축성 별 합성에서 유래한 스트랭지렛츠가 우주 메신저로서 풍부할 수 있는지 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강입자 상태방정식에 Δ-이소스파와 초입자를 포함시키면 고질량 강입자 별의 형성이 왜 불가능해지는가?
• RQ2 대칭 에너지 매개변수 L(40 < L < 62 MeV)의 값이 고밀도 물질에서 Δ-이소스파와 초입자의 출현에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 페르투르바티브 QCD 기반 상태방정식에 의해 2.75 M⊙까지 질량을 지닌 쿼크 별이 일관되게 지지될 수 있는가?
• RQ4 압축성 별의 관측된 질량과 반지름 측정치는 두 개의 구별되는 압축성 별 가족 존재를 어떻게 제약하는가?
• RQ5 일부 밀리초 펄서 이중성계에서 관측된 높은 이심률은 이중성계 내에서 강입자 별에서 쿼크 별로의 상전이에 의해 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 대칭 에너지 매개변수 L가 40–62 MeV 범위에 있을 때, 밀도가 약 2 n₀에 가까운 곳에서 Δ-이소스파의 출현이 강입자 상태방정식을 크게 소프트닝한다.
• 질량이 최대 1.6 M⊙이고 반지름이 약 10 km인 강입자 별은 가능하지만, 이 소프트닝으로 인해 고질량 강입자 별(예: 2 M⊙)은 지지될 수 없다.
• 페르투르바티브 QCD 계산에 기반한 쿼크 별 상태방정식은 최대 질량 2.75 M⊙까지 지지할 수 있으며, 이는 가장 고질량으로 관측된 압축성 별의 타당한 후보이다.
• 관측된 고질량(~2 M⊙)과 작은 반지름(~10 km) 간의 갈등은 고질량 별을 쿼크 별 가족에, 압축성 있는 별을 강입자 별 가족에 할당하는 것으로 해결된다.
• 일부 밀리초 펄서 이중성계에서 관측된 높은 궤도 이심률은 강입자 별이 쿼크 별로 전이되면서 밀도가 증가하고, 이로 인해 이중성계 역학이 변화할 수 있음을 시사한다.
• 압축성 별 합성에서 기인한 스트랭지렛츠는 빠른 블랙홀 형성으로 인해 2.5–3 M⊙를 초과하는 합성에서는 희박할 것이며, 이로 인해 관측 가능한 유량이 제한된다.