[论文解读] The maximum mass of neutron stars may be higher than expected: an inference from binary systems

L. S. Rocha, R. R. A. Bachega+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2021

Seismology and Earthquake Studies参考文献 4被引用 7

一句话总结

本研究利用贝叶斯推断对包含至少一个脉冲星的96个脉冲星双星系统样本进行分析，采用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）方法与后验预测检验，推断出中子星最大质量 $ m_{\text{max}} \sim 2.5-2.6\,M_\odot $。该结果挑战了基于GW170817事件得出的较低估计值，并支持GW190814事件中约2.6 $M_\odot$ 的轻质成分可能为中子星，表明其本征最大质量高于以往认知。

ABSTRACT

We have analyzed in this work the updated sample of neutron star masses derived from the study of a variety of 96 binary systems containing at least one neutron star using Bayesian methods. After updating the multimodality of the distributions found in previous works, we determined the maximum mass implied by the sample using a robust truncation technique, with the result $m_{max} \sim 2.5-2.6 \, M_{\odot}$. We have checked that this mass is actually consistent by generating synthetic data and employing a Posterior Predictive Check. A comparison with seven published $m_{max}$ values inferred from the remnant of the NS-NS merger GW170817 was performed and the tension between the latter and the obtained $m_{max}$ value quantified. Finally, we performed a Local Outlier Factor test and verified that the result for $m_{max}$ encompasses the highest individual mass determinations with the possible exception of PSR J1748-2021B. The conclusion is that the whole distribution already points toward a high value of $m_{max}$, while several lower values derived from the NS-NS merger event are disfavored and incompatible with the higher binary system masses. A large $m_{max}$ naturally accommodates the lower mass component of the event GW190814 as a neutron star.

研究动机与目标

• 利用包含至少一个中子星的96个双星系统的最新观测数据，重新评估中子星的最大质量。
• 解决从双星系统推导出的中子星质量估计与从引力波事件（如GW170817）推断出的质量估计之间的矛盾。
• 通过局部离群点因子（LOF）等异常值检测技术，检验高质质量中子星候选者的统计稳健性。
• 评估观测到的质量分布是否支持高于以往报告的 $ m_{\text{max}} $，特别是结合GW190814事件的发现。

提出的方法

• 采用贝叶斯推断与马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样，对96个双星系统中中子星质量的后验分布进行建模。
• 使用稳健的截断技术估计质量分布的上限，将 $ m_{\text{max}} $ 定义为推断出的最大质量。
• 通过生成5,000个合成数据集，执行后验预测检验（PPC），以验证推断出的 $ m_{\text{max}} $ 与观测数据的一致性。
• 采用局部离群点因子（LOF）算法检测质量分布中的潜在异常值，评估极端质量测量值是否偏离主分布。
• 将检验统计量 $ T $ 定义为超过给定阈值的模拟质量数量，以计算贝叶斯p值并量化模型拟合程度。
• 利用表2中的边缘后验分布，在Mathematica中模拟新数据，实现对推断出的 $ m_{\text{max}} $ 的统计验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于包含至少一个中子星的96个双星系统的综合样本，中子星的推断最大质量是多少？
• RQ2 从双星系统推断出的 $ m_{\text{max}} $ 与从GW170817双中子星并合事件推导出的值相比如何？
• RQ3 观测到的高质质量中子星候选体PSR J1748-2021B在统计上是否与主分布一致，还是异常值？
• RQ4 推断出的 $ m_{\text{max}} \sim 2.5-2.6\,M_\odot $ 是否能自然容纳GW190814事件中约2.6 $M_\odot$ 的成分作为中子星？
• RQ5 通过后验预测检验验证后，该更高的 $ m_{\text{max}} $ 值在统计拟合偏差方面有多强的稳健性？

主要发现

• 分析推断出中子星最大质量为 $ m_{\text{max}} \sim 2.5-2.6\,M_\odot $，显著高于基于GW170817事件得出的某些先前估计值。
• 后验预测检验确认，推断出的 $ m_{\text{max}} $ 与观测数据在统计上一致，支持其可靠性。
• 该 $ m_{\text{max}} \sim 2.5-2.6\,M_\odot $ 值与基于GW170817推导出的若干较低 $ m_{\text{max}} $ 估计值不相容，表明两种方法之间存在统计张力。
• 局部离群点因子（LOF）检验表明，最高单个质量测量值PSR J1748-2021B并非异常值，且与推断分布一致。
• 更高的 $ m_{\text{max}} $ 值可自然容纳GW190814事件中约2.6 $M_\odot$ 的成分作为中子星，解决了长期存在的质量间隙疑虑。
• 本研究结论认为，整个观测质量分布均指向较高的 $ m_{\text{max}} $，而基于GW170817的较低值在更高双星系统质量的背景下统计上不被支持。