[論文レビュー] Exploring hybrid equation of state with constraints from tidal deformability of GW170817

Qing-Wu Wang, Chao Shi+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、圧力-バリオン化学ポテンシャル平面におけるP-μ補間法を用いて、クォーク相に自己無撞着な2フラバーNambu-Jona-Lasinio (NJL) モデルを、バリオン相に相対論的平均場 (RMF) 理論を組み合わせることで、中性子星のハイブリッド状態方程式 (EOS) を構築する。増加するベクトルチャネル重みパラメータαはEOSを硬くし、最大中性子星質量を2 M⊙以上に可能にする。また、補間幅Γを増加させることで遷移領域を広げると、GW170817の潮汐歪み予測が観測と整合的になることが示された。

ABSTRACT

With a interpolation method on the P-$μ$ plane, a hybrid equation of state is explored. The quark phase is described by our newly developed self-consistent two-flavor Nambu$-$Jona-Lasinio model. It retains the contribution from the vector channel in the Fierz-transformed Lagrangian by introducing a weighting parameter $α$ [Chin. Phys. C extbf{43}, 084102 (2019)]. In the hadron phase we use the relativistic mean-field theory. We study the dependence of hybrid EOS and mass-radius relation on $α$. It is found that increasing $α$ makes the hybrid EOS softer in the medium pressure. We can get stellar mass larger than $2M_\odot$. Further, we calculate the tidal deformability $ ildeΛ$ for binary stars and compare with recent analysis GW170817 [Phys. Rev. X extbf{9}, 011001 (2019)].

研究の動機と目的

• P-μ平面における新しい補間法を用いて、バリオンとクォーク物質相を滑らかに接続する中性子星のハイブリッド状態方程式 (EOS) を構築すること。
• 自己無撞着な2フラバーNJLモデルにおけるベクトルチャネル強度パラメータαがハイブリッドEOSの硬さおよび最大質量に与える影響を調査すること。
• ハイブリッドEOSから予測される潮汐歪みが、GW170817二重中性子星合体観測からの制約と整合するかどうかをテストすること。
• 現在の中性子星データを説明する上で、マクスウェル構成による一次遷移と比較して、ギブズ構成による連続的相転移（クロスオーバー）が有効であるかどうかを評価すること。

提案手法

• ハドロン相とクォーク相をP-μ平面で滑らかに接続するための補間関数f±(μ)を用い、混合相のパラメータとしてμc（中心的化学ポテンシャル）とΓ（遷移領域の半幅）を定義する。
• 全エネルギー密度はε(μ) = εH(μ)f−(μ) + εQ(μ)f+(μ) + Δεとして計算され、補正項Δεにより熱力学的一致性が確保される。
• ハドロン相は相対論的平均場 (RMF) 理論のNL3パラメータセットで記述され、クォーク相は調整可能なベクトルチャネル重みαを持つ自己無撞着な2フラバーNJLモデルで記述される。
• 相転移はギブズ構成によるクロスオーバーとしてモデル化され、バリオン数密度の不連続性が回避され、滑らかな質量-半径関係が得られる。
• 脱コンfinement化学ポテンシャルとバリオン化学ポテンシャルの平衡を満たすことでモデルをキャリブレーションし、μcとΓをαの関数として固定する。
• 二重系における潮汐歪みΛ̃を計算し、1.16と1.60 M⊙の成分質量の間でΛ̃ = 300+420−230というGW170817の制約と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NJLモデルにおけるベクトルチャネル強度パラメータαは、ハイブリッド状態方程式の硬さおよび最大質量にどのように影響するか？
• RQ2 ギブズ構成による滑らかなクロスオーバー相転移は、GW170817で観測された潮汐歪みを再現できるか？
• RQ3 ハイブリッドEOSが高質量中性子星観測とGW170817の制約の両方に整合するためには、補間パラメータμcとΓはどの程度の値をとる必要があるか？
• RQ4 広い遷移領域を持つハイブリッドEOSは、マクスウェル構成で見られる質量ツイン現象を回避できるか？
• RQ5 このハイブリッドモデルにおける1.4 M⊙中性子星の半径は予測されるか？ そして、現在の観測的制約を満たしているか？

主な発見

• ベクトルチャネルパラメータαを0.5から0.9に増加させると、ハイブリッドEOSが硬くなり、最大中性子星質量が2 M⊙を超える。
• α ≥ 0.7では最大質量が2 M⊙を超えるため、PSR J1614−2230 (1.928±0.017 M⊙)、PSR J0348+0432 (2.01±0.04 M⊙)、MSP J0740+6620 (2.14+0.10−0.09 M⊙) の制約を満たす。
• α = 0.5、Γ = 500 MeV、μc = 1300 MeVの場合、1.16 M⊙–1.609 M⊙の二重系における潮汐歪みΛ̃は330.689であり、GW170817の制約300+420−230の範囲内にある。
• Γを600 MeVに増加させると、Λ̃の値はGW170817解析の好ましい範囲に収まり、観測とより良好に整合することが示された。
• 1.4 M⊙中性子星の半径は、クォーク真空中圧力に応じて≤13.76 kmまたは≤13.6 kmと予測され、モデル依存の観測的制約を満たしている。
• 本モデルは、広いクロスオーバー遷移（ギブズ構成）を持つハイブリッドEOSが有効であることを示しており、純粋ハドロン的またはマクスウェル構成に基づくハイブリッドEOSは潮汐歪みデータによって除外される。