[論文レビュー] Mass-radius constraints for compact stars and a critical endpoint

D. Blaschke, David Alvarez-Castillo+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2013

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 6被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、同様の質量（約2 M⊙）だが顕著に異なる半径を示す高質量二重星（二つの星が同じ質量だが顕著に異なる半径を持つ）の検出が、冷たい高密度物質における強い一次相転移であるクォーク-ハドロン相転移の観測的証拠を示すと提案している。これは、QCD相図における臨界点の存在を示唆する。スケーマティック（ZHAHP）およびマイクロスコピック（非局所PNJL）モデルを用いて、相転移におけるエネルギー密度のジャンプがΔε/εcrit > 0.6を超えると、質量-半径図に非連結なハイブリッド星分岐が生じ、その結果として高質量の二重星が出現することを示している。

ABSTRACT

We present two types of models for hybrid compact stars composed of a quark core and a hadronic mantle with an abrupt first order phase transition at the interface which are in accordance with the latest astrophysical measurements of two 2 M_sun pulsars. While the first is a schematic one, the second one is based on a QCD motivated nonlocal PNJL model with density-dependent vector coupling strength. Both models support the possibility of so called twin compact stars which have the same mass but different radius and internal structure at high mass (~2 M_sun), provided they exhibit a large jump Δεin the energy density of the first order phase transition fulfilling Δε/ε_crit > 0.6. We conclude that the measurement of high-mass twin stars would support the existence of a first order phase transition in symmetric matter at zero temperature entailing the existence of a critical end point in the QCD phase diagram.

研究の動機と目的

• 高質量二重星（同じ質量、異なる半径）の存在が、コンパクト星における一次クォーク-ハドロン相転移の観測的証拠となり得るかどうかを調査すること。
• 2 M⊙のパulsar（PSR J1614-2230およびJ0348+0432）の最近の測定結果が、状態方程式を制約し、このような二重星を検出可能かどうかを評価すること。
• 一次相転移が質量-半径図に非連結なハイブリッド星分岐を生じる条件を特定すること。
• 高質量二重星の観測が、絶対零度におけるQCD相図における臨界点の存在を示唆することを結びつけること。

提案手法

• 本研究では、臨界値におけるエネルギー密度の不連続なジャンプをパラメータ化するスケーマティックな状態方程式（EoS）モデル（ZHAHP）を用い、3つのパラメータ（εcrit、Δε、cQM²）を用いる。
• より現実的でQCDに由来する非局所ポリakov-Nambu-Jona-Lasinio（nlPNJL）モデルを用い、密度に依存するベクトル結合と非局所構造を組み込んで、高密度におけるクォーク物質を記述する。
• モデルは、2つの2 M⊙パルサーの観測質量によって制約され、ハイブリッド星分岐が2 M⊙付近の質量を支持できるようにする必要がある。
• 質量-半径図は、ハイブリッドEoSを用いてTolman-Oppenheimer-Volkoff方程式を解き、安定な状態と不安定な分岐を特定することで計算される。
• ハイブリッド星の安定性は、断熱指数のチェックと質量-半径平面における非連結分岐の有無を確認することで分析される。
• 二重星の臨界条件はΔε/εcrit > 0.6として導出され、これによりエネルギー密度の大きなジャンプが生じ、同じ質量で顕著に異なる半径を持つことが保証される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量が約2 M⊙の高質量二重星（M ≈ 2 M⊙）が、異なる半径を示す場合、冷たい高密度クォーク-ハドロン物質における一次相転移の証拠となり得るか？
• RQ2 現実的なEoSモデル下で、質量-半径図に二重星が出現するための最小エネルギー密度ジャンプ（Δε/εcrit）はどの程度か？
• RQ3 密度に依存するベクトル結合を有する非局所PNJLモデルは、2 M⊙パルサー観測と整合的でありつつ、二重星現象を再現可能か？
• RQ4 このような二重星の検出は、絶対零度におけるQCD相図に臨界点の存在を示唆するか？
• RQ5 高質量二重星の存在を確認するためには、どの程度の半径測定精度が必要か？

主な発見

• ZHAHPモデルは、Δε/εcrit > 0.6 である一次相転移が、非連結なハイブリッド星分岐を生じさせ、2 M⊙付近に高質量二重星を形成可能であることを示している。
• 密度に依存するベクトル結合を有する非局所PNJLモデルは、ベクトル結合強度をη< = 0.10およびη> = 0.20に調整することで、安定なハイブリッド星と二重星構成を実現している。
• DD2v ex - nlPNJLモデルでは、臨界エネルギー密度がεcrit = 225.3 MeV/fm³であり、エネルギー密度ジャンプΔεは、半径差が約2 kmの二重星を生じるのに十分である。
• APRv ex - nlPNJLモデルでは、εcrit = 373.0 MeV/fm³であり、同様の半径差が得られ、二重星現象が異なるEoSパラメータ化に対して頑健であることが確認された。
• 既知の2 M⊙パルサーの半径測定精度が1 km未満であれば、このような二重星を検出可能であり、2 kmの半径差は重要な特徴量である。
• 高質量二重星の検出は、冷たい高密度物質における一次相転移の確認を示し、絶対零度におけるQCD相図に臨界点が存在することを示唆する。