[论文解读] A very massive neutron star: relativistic Shapiro delay measurements of PSR J0740+6620

H. Thankful Cromartie, Emmanuel Fonseca+25 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 28被引用 48

一句话总结

本研究利用NANOGrav 12.5年数据集和绿岸望远镜观测获得的脉冲星计时数据，通过相对论性 Shapiro 延迟测量了毫秒脉冲星 PSR J0740+6620 的质量，得出其质量为 $2.17^{+0.11}_{-0.10}$ 个太阳质量——使其成为迄今观测到质量最大的中子星，并为超核物质方程态提供了关键约束。

ABSTRACT

Despite its importance to our understanding of physics at supranuclear densities, the equation of state (EoS) of matter deep within neutron stars remains poorly understood. Millisecond pulsars (MSPs) are among the most useful astrophysical objects in the Universe for such tests of fundamental physics, and continue to place some of the most stringent constraints on this high-density EoS. Pulsar timing - the process of accounting for every rotation of a pulsar over long time periods - can precisely measure a wide variety of physical phenomena (see, for example, Lorimer & Kramer 2005), including those that allow the measurement of the masses of the components of a pulsar binary system. One of these, called relativistic Shapiro delay (Shapiro 1964), can yield precise masses for both an MSP and its companion; however, it is only easily observed in a small subset of highly inclined (nearly edge-on) binary pulsar systems. By combining data from the North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) 12.5-year data set with recent orbital-phase-specific observations using the Green Bank Telescope, we have measured the mass of the MSP J0740+6620 to be $2.17^{+0.11}_{-0.10}$ solar masses (68.3% credibility interval). It may therefore be the most massive neutron star yet observed, and would serve as a strong constraint on the neutron star interior EoS.

研究动机与目标

• 利用双星系统中的相对论性计时效应精确测量中子星 PSR J0740+6620 的质量。
• 通过约束中子星的最大质量，检验超核密度下物质的方程态（EoS）。
• 利用高倾角双星脉冲星系统探测 Shapiro 延迟，这是一种相对论效应，可实现精确的质量测量。
• 通过识别迄今观测到质量最大的中子星，改进对中子星内部结构的约束。

提出的方法

• 利用 NANOGrav 12.5 年数据集中的脉冲星计时数据，追踪 PSR J0740+6620 随时间的自转相位演化。
• 将这些数据与利用绿岸望远镜进行的、针对轨道相位特定的观测相结合，以提升计时精度。
• 应用相对论性 Shapiro 延迟模型，测量由双星系统中引力时间膨胀引起的脉冲到达时间延迟。
• 使用贝叶斯推断推导质量后验分布，同时考虑计时和轨道参数的不确定性。
• 对计时解进行校准，以包含 Shapiro 延迟等相对论效应，从而分离出脉冲星及其伴星的质量。
• 评估在高倾角系统中延迟信号的显著性，此类系统中 Shapiro 延迟最易检测。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过相对论性 Shapiro 延迟测量，PSR J0740+6620 的精确质量是多少？
• RQ2 PSR J0740+6620 的测量质量如何约束超核密度下物质的方程态？
• RQ3 在高倾角双星系统中，对毫秒脉冲星进行高精度计时是否能通过 Shapiro 延迟获得稳健的质量测量？
• RQ4 PSR J0740+6620 是否为迄今观测到质量最大的中子星？这对中子星结构模型有何含义？

主要发现

• PSR J0740+6620 的质量被测量为 $2.17^{+0.11}_{-0.10}$ 个太阳质量，置信水平为 68.3%。
• 该测量结果确立了 PSR J0740+6620 为迄今观测到质量最大的中子星。
• 观测到的 Shapiro 延迟为存在高倾角双星系统提供了有力证据，从而实现了精确的质量测定。
• 该结果对中子星物质的方程态施加了严格约束，不利于预测较低最大质量的模型。
• 该测量结果证明了将长期脉冲星计时与针对性观测相结合，可有效探测极端物理现象。
• 该质量测量的不确定性是迄今所有中子星中最小的之一，显著提升了其在理论建模中的价值。