[논문 리뷰] A very massive neutron star: relativistic Shapiro delay measurements of PSR J0740+6620

H. Thankful Cromartie, Emmanuel Fonseca외 25명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 14.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 28인용 수 48

한 줄 요약

이 연구는 NANOGrav 12.5년 데이터셋과 그린 백 텔레스코프 관측으로 확보한 시계 데이터를 통해 밀리초 펄사 PSR J0740+6620의 질량을 상대론적 샤피로 지연을 이용해 측정하였으며, 태양 질량의 $2.17^{+0.11}_{-0.10}$로 도출되었다—이로써 현재까지 관측된 가장 질량이 큰 중성자별이 되었으며, 초핵밀도 물질의 상태방정식에 대한 중요한 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

Despite its importance to our understanding of physics at supranuclear densities, the equation of state (EoS) of matter deep within neutron stars remains poorly understood. Millisecond pulsars (MSPs) are among the most useful astrophysical objects in the Universe for such tests of fundamental physics, and continue to place some of the most stringent constraints on this high-density EoS. Pulsar timing - the process of accounting for every rotation of a pulsar over long time periods - can precisely measure a wide variety of physical phenomena (see, for example, Lorimer & Kramer 2005), including those that allow the measurement of the masses of the components of a pulsar binary system. One of these, called relativistic Shapiro delay (Shapiro 1964), can yield precise masses for both an MSP and its companion; however, it is only easily observed in a small subset of highly inclined (nearly edge-on) binary pulsar systems. By combining data from the North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) 12.5-year data set with recent orbital-phase-specific observations using the Green Bank Telescope, we have measured the mass of the MSP J0740+6620 to be $2.17^{+0.11}_{-0.10}$ solar masses (68.3% credibility interval). It may therefore be the most massive neutron star yet observed, and would serve as a strong constraint on the neutron star interior EoS.

연구 동기 및 목표

• 이중성계에서의 상대론적 시계 효과를 이용해 중성자별 PSR J0740+6620의 정밀 질량을 측정하는 것.
• 중성자별의 최대 질량을 제약함으로써 초핵밀도에서의 물질 상태방정식(EoS)을 시험하는 것.
• 높은 기울기의 이중 펄사계를 활용해 샤피로 지연을 탐지함으로써 정확한 질량 측정을 가능하게 하는 것.
• 현재까지 관측된 가장 질량이 큰 중성자별을 식별함으로써 중성자별 내부에 대한 제약 조건을 향상시키는 것.

제안 방법

• NANOGrav 12.5년 데이터셋의 펄사 시계 데이터를 활용하여 PSR J0740+6620의 자전 위상 변화를 시간에 따라 추적하였다.
• 그린 백 텔레스코프를 이용한 타겟팅된, 궤도 위상에 특화된 관측을 통해 시계 정밀도를 향상시켰다.
• 상대론적 샤피로 지연 모델링을 적용하여 이중계에서 중력적 시간 지연으로 인한 펄스 도착 시간 지연을 측정하였다.
• 베이지안 추론을 사용하여 시계 및 궤도 파rameter의 불확실성을 고려한 질량 사후 분포를 유도하였다.
• 시계 해를 상대론적 효과, 특히 샤피로 지연을 포함시켜 보정함으로써 펄사와 그 연성의 질량을 분리하였다.
• 높은 기울기의 시스템에서 지연 신호의 유의미함을 평가하였으며, 이는 샤피로 지연이 가장 명확하게 탐지되는 조건이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상대론적 샤피로 지연을 통해 측정한 PSR J0740+6620의 정밀 질량은 얼마인가?
• RQ2 측정된 PSR J0740+6620의 질량은 초핵밀도에서의 물질 상태방정식에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ3 높은 정밀도의 밀리초 펄사 시계 데이터를 고기울기 이중계에서 활용하여 샤피로 지연을 통해 신뢰할 수 있는 질량 측정이 가능한가?
• RQ4 PSR J0740+6620은 현재까지 관측된 가장 질량이 큰 중성자별인가, 그리고 이는 중성자별의 구조 모델에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• PSR J0740+6620의 질량은 68.3% 신뢰구간에서 태양 질량의 $2.17^{+0.11}_{-0.10}$로 측정되었다.
• 이 측정치는 현재까지 관측된 바에서 가장 질량이 큰 중성자별임을 확인하였으며, PSR J0740+6620이 그 역할을 한다고 할 수 있다.
• 관측된 샤피로 지연은 고기울기 이중계의 존재를 강력히 뒷받침하며, 정밀한 질량 결정에 기여한다.
• 결과는 최대 질량이 낮게 예측하는 모델을 배제하는 엄격한 제약 조건을 중성자별 물질의 상태방정식에 제공한다.
• 장기적 펄라 시계 데이터와 타겟팅된 관측을 융합함으로써 극한 물리 현상을 탐구하는 데 효과적임을 입증한다.
• 이 질량 측정의 불확실성은 현재까지 관측된 어떤 중성자별보다도 가장 낮아 이론적 모델링에 있어 매우 높은 가치를 지닌다.