[論文レビュー] Observational Tests of Neutron Star Relativistic Mean Field Equations of State

Martin Urbanec, Emil Běták+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2010

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、二重パulsar J0737–3039からの質量–バリオン数関係、RX J1856.35–3754からの質量–半径関係、孤立中性子星の集団的分析、最大質量制限の4つの観測的制約を用いて、相対論的平均場方程式状態（EoS）を中性子星物質に対してテストする。唯一のパラメータ化Hが、形成過程での質量損失を仮定しなくても、きわめて厳しい二重パルサー制約を満たす。

ABSTRACT

Set of neutron star observational results is used to test some selected equations of state of dense nuclear matter. The first observational result comes from the mass--baryon number relation for pulsar B of the double pulsar system J 0737--3039. The second one is based on the mass--radius relation coming from observation of the thermal radiation of the neutron star RX J 1856.35--3754. The third one follows the population analysis of isolated neutron star thermal radiation sources. The last one is the test of maximum mass. The equation of state of asymmetric nuclear matter is given by the parameterized form of the relativistic Brueckner-Hartree-Fock mean field, and we test selected parameterizations that represent fits of full relativistic mean field calculation. We show that only one of them is capable to pass the observational tests. This equation of state represents the first equation of state that is able to explain all the mentioned observational tests, especially the very accurate test given by the double pulsar even if no mass loss is assumed.

研究の動機と目的

• 選択された相対論的平均場方程式状態（EoS）が、非対称核物質に対して複数の天体物理学的観測と整合しているかを評価すること。
• 形成過程での質量損失が無視できるものと仮定した場合、二重パルサー系J0737–3039におけるパルサーBの極めて正確な質量–バリオン数関係をEoSが説明できるかをテストすること。
• 孤立中性子星RX J1856.35–3754の熱放射から推定された質量–半径関係に対して、EoSを評価すること。
• 孤立中性子星の冷却に関する集団的合成データを用いてEoSを検証し、直接URCA冷却によって制限される最大質量を拘束すること。
• 準周期的振動（QPO）から導かれる最大質量制限とEoSを検証すること。ただし、QPOに基づくテストは完全には結論的ではない。

提案手法

• 中性子対陽子比が変化する非対称核物質をモデル化するため、相対論的ブルッキング＝ハートリー＝フォック平均場理論のパラメータ化形式を採用した。
• 高密度領域における物理的整合性を保つために、β平衡および電荷中性条件下での陽子分率を計算した。
• 球対称かつ非回転の中性子星に対して、Tolman-Oppenheimer-Volkoff（TOV）方程式を、異なる中心密度および圧力条件で解いた。
• 中心パラメータの範囲にわたる中性子星モデルを構築し、質量、半径、バリオン質量の関係を導出した。
• 観測的制約を適用した：(1) 二重パルサーJ0737–3039からの質量–バリオン数、(2) RX J1856.35–3754からの質量–半径、(3) 冷却集団的分析、(4) 最大質量制限。
• EoSのパラメータ化を、すべての制約に対して評価し、特に形成過程での質量損失がなければならぬというきわめて厳しい二重パルサー試験に注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相対論的平均場EoSは、形成過程での質量損失を仮定しなくても、二重パルサー系J0737–3039におけるパルサーBの観測された質量–バリオン数関係を説明できるか？
• RQ2 どのEoSパラメータ化が、孤立中性子星RX J1856.35–3754の熱放射から推定された質量–半径関係を最もよく再現できるか？
• RQ3 EoSは、直接URCA冷却が観測されない低質量の孤立中性子星集団と整合するか？
• RQ4 どのEoSが、QPO観測および他の天体物理学的制限から導かれる最大質量制限と整合するか？
• RQ5 どのEoSが、特にきわめて厳しい二重パルサー制約を含め、すべての4つの観測的テストを同時に満たすか？

主な発見

• 相対論的ブルッキング＝ハートリー＝フォックEoSのうち、唯一Hパラメータ化が、形成過程での質量損失を仮定しなくても、二重パルサーJ0737–3039からの質量–バリオン数制約を満たす。
• Hパラメータ化は、RX J1856.35–3754の推定半径16.8 kmを説明できる唯一のものであり、他のパラメータ化は半径範囲の下限でさえも失敗する。
• Hパラメータ化は、1.5 M⊙未満の中性子星が直接URCA冷却を経由しないという集団的合成制約と整合する。
• Hパラメータ化は、QPO観測から導かれる最大質量テストを満たす唯一のものであり、他のパラメータ化は弱いバージョンのテストでは通過するが、本テストでは失敗する。
• Hパラメータ化は、相対論的ブルッキング＝ハートリー＝フォック理論に基づくEoSの中で、唯一、すべての4つの観測的制約を同時に説明できる。
• RX J1856.35–3754の推定半径20.9 kmは、テストされたすべてのEoSで説明できないまま残っており、距離の不確実性やモデル仮定の問題を示唆している。