[论文解读] Constraints on phase transition and nuclear symmetry parameters with PSR J0740+6620 and multimessenger data of other neutron stars

Shao-Peng Tang, Jin-Liang Jiang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2021

Geophysics and Gravity Measurements被引用 4

一句话总结

本研究利用来自脉冲星 PSR J0740+6620、GW170817 和 PSR J0030+0451 的多信使数据，结合 PREX-II 实验测得的中子皮厚度，对致密物质的状态方程（EoS）进行了约束。研究结果得到 $L \approx 70_{-18}^{+21}$ MeV，预测 $R_{\text{skin}}^{208} = 0.204^{+0.030}_{-0.026}$ fm，并对 $R_{1.4} = 12.3 \pm 0.7$ km、$\Lambda_{1.4} = 330_{-100}^{+140}$ 和 $P_{2\rho_{\text{sat}}} = 4.1_{-1.2}^{+1.5} \times 10^{34}$ dyn cm$^{-2}$ 进行了紧密约束，且杂化中子星与普通中子星模型的贝叶斯证据相当。

ABSTRACT

Recently, the radius of neutron star (NS) PSR J0740+6620 was measured by NICER and an updated measurement of neutron skin thickness of ${}^{208}$Pb ($R_{ m skin}^{208}$) was reported by the PREX-II experiment. These new measurements can help us better understand the unknown equation of state (EoS) of dense matter. In this work, we adopt a hybrid parameterization method, which incorporates the nuclear empirical parameterization and some widely used phenomenological parameterizations, to analyze the results of nuclear experiments and astrophysical observations. With the joint Bayesian analysis of GW170817, PSR J0030+0451, and PSR J0740+6620, the parameters that characterize the ultra dense matter EoS are constrained. We find that the slope parameter $L$ is approximately constrained to $70_{-18}^{+21}$ MeV, which predicts $R_{ m skin}^{208}=0.204^{+0.030}_{-0.026}\,{ m fm}$ by using the universal relation between $R_{ m skin}^{208}$ and $L$. And the bulk properties of canonical $1.4\,M_\odot$ NS (e.g., $R_{1.4}$ and $\Lambda_{1.4}$) as well as the pressure ($P_{2 ho_{ m sat}}$) at two times the nuclear saturation density are well constrained by the data, i.e., $R_{1.4}$, $\Lambda_{1.4}$, and $P_{2 ho_{ m sat}}$ are approximately constrained to $12.3\pm0.7$ km, $330_{-100}^{+140}$, and $4.1_{-1.2}^{+1.5} imes10^{34}\,{ m dyn\,cm^{-2}}$, respectively. Besides, we find that the Bayes evidences of the hybrid star and normal NS assumptions are comparable, which indicates that current observation data are compatible with quarkyonic matter existing in the core of massive star. Finally, in the case of normal NS assumption, we obtain a constraint for the maximum mass of nonrotating NS $M_{ m TOV}=2.30^{+0.30}_{-0.18}$ $M_\odot$. All of the uncertainties reported above are for 68.3% credible levels.

研究动机与目标

• 利用近期的天体物理和核物理实验数据，约束中子星中致密物质的状态方程（EoS）。
• 研究 $^{208}$Pb 中子皮厚度 ($R_{\text{skin}}^{208}$) 对核对称能斜率参数 $L$ 的影响。
• 通过比较杂化星与普通中子星模型的贝叶斯证据，评估夸克核物质在中子星核心存在的可行性。
• 改进对中子星关键性质（如半径、潮汐可变形性及高密度区压力）的约束。
• 在普通中子星假设下，确定非旋转中子星的最大质量上限。

提出的方法

• 采用结合核物理经验参数化与广泛使用的唯象学 EoS 模型的混合参数化方法。
• 利用多信使数据进行联合贝叶斯分析：GW170817（引力波）、PSR J0030+0451（X 射线计时）和 PSR J0740+6620（NICER 测得的半径）。
• 引入 PREX-II 实验对 $R_{\text{skin}}^{208}$ 的最新测量结果，以约束对称能斜率 $L$。
• 应用 $R_{\text{skin}}^{208}$ 与 $L$ 之间的通用关系，从 $L$ 值预测中子皮厚度。
• 使用贝叶斯因子分析比较杂化星（夸克核）与普通中子星（强子核）情景的证据。
• 使用马尔可夫链蒙特卡洛采样计算所有约束参数的 68.3% 可信区间。

实验结果

研究问题

• RQ1 联合多信使数据分析对对称能斜率参数 $L$ 的约束结果是什么？
• RQ2 测得的 $^{208}$Pb 中子皮厚度 ($R_{\text{skin}}^{208}$) 与 $L$ 有何关系？基于通用关系预测的值是多少？
• RQ3 对于质量为 $1.4\,M_\odot$ 的中子星，其半径 ($R_{1.4}$)、潮汐可变形性 ($\Lambda_{1.4}$) 和两倍饱和核密度下的压力 ($P_{2\rho_{\text{sat}}}$) 的约束值是多少？
• RQ4 是否存在显著的贝叶斯证据支持大质量中子星核心存在夸克核物质？
• RQ5 在普通中子星假设下，非旋转中子星的最大质量上限是多少？

主要发现

• 对称能斜率参数 $L$ 在 68.3% 可信水平下被约束为 $70_{-18}^{+21}$ MeV。
• 利用 $L$ 与 $R_{\text{skin}}^{208}$ 之间的通用关系，预测 $^{208}$Pb 的中子皮厚度为 $0.204^{+0.030}_{-0.026}$ fm。
• 典型 $1.4\,M_\odot$ 中子星的半径被约束为 $12.3 \pm 0.7$ km。
• 质量为 $1.4\,M_\odot$ 的中子星的潮汐可变形性被约束为 $330_{-100}^{+140}$。
• 在两倍饱和核密度下的压力被约束为 $4.1_{-1.2}^{+1.5} \times 10^{34}$ dyn cm$^{-2}$。
• 杂化星与普通中子星模型的贝叶斯证据相当，表明当前数据与两种模型均一致，包括大质量中子星中可能存在夸克核物质的可能性。