[论文解读] Apparent equation of state of compact stars within the Eddington-inspired Born-Infeld theory

Ali Ikhsanul Qauli, A. Sulaksono+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 1

一句话总结

本文研究了在爱丁顿启发的玻恩-英菲尔德（EiBI）引力理论下中子星和夸克星的性质，采用相对论平均场和CIDDM模型构建方程态（EOS）。通过脉冲星质量-半径数据约束EiBI参数 $\kappa$，得出中子星的 $\kappa_g$ 范围为 $2.7 \leq \kappa_g \leq 7.9 \times 10^{-2}\ \text{m}^5\text{kg}^{-1}\text{s}^{-2}$，夸克星的 $\kappa_g$ 范围为 $1.6 \leq \kappa_g \leq 2.2 \times 10^{-2}\ \text{m}^5\text{kg}^{-1}\text{s}^{-2}$，其上下限由致密性和最大质量限制确定。

ABSTRACT

We investigate the compactness, masses and radii of realistic neutron stars (NSs) and quark stars (QSs) within the Eddington-inspired Born-Infeld (EiBI) theory of gravity, and the energy conditions of their apparent equation of states (EOSs). We show that the maximum compactness and maximum masses constraints extracted from the recent pulsars masses and radii observations can provide the upper and lower limits of $\kappa$ value of EiBI theory. By using BSP parameter set of relativistic mean field (RMF) model to describe NS core EOS including hyperons, it can be estimated that $ (2.7 \le \kappa_g \le 7.9) imes$ $ m 10^{-2} m^5 kg^{-1} s^{-2}$. If we use confined-isospin-density-dependent-mass (CIDDM) model with additional scalar Coulomb term with QSK046 parameter set to describe QS EOS, we can obtain lesser value i.e., $ (1.6 \le \kappa_g\le 2.2) imes$ $ m 10^{-2} m^5 kg^{-1} s^{-2}$. We have also observed that for large $\kappa$ values, mass-radius relations of NSs and QSs do not exceed causality restrictions because the compactness of NS and QS are saturated after passing certain large critical value. This observation is in agreement with the results obtained in Ref.\cite{Delsate12} for the case of pressure-less stars. We have also found that if $\kappa$ larger than certain non-zero value, the CIDDM with vector Coulomb model prediction of QS can reach the maximum mass $\gtrsim$ 2 $M_\odot$. We have found also that if the NS or QS EOS becomes stiffer, the upper limit of $\kappa$ from compactness constraint becomes smaller and lower limit of $\kappa$ from maximum masses constraint becomes larger. We also observe that the uncertainty of the systematic in canonical mass compact stars radii measurements data can affect the $\kappa$ range. It is also shown that the non-physical apparent EOS of NSs and QSs can satisfy the energy conditions.

研究动机与目标

• 利用脉冲星的观测质量与半径数据，约束爱丁顿启发的玻恩-英菲尔德（EiBI）引力参数 $\kappa$。
• 研究中子星（NSs）和夸克星（QSs）的致密性与最大质量约束如何影响 $\kappa$ 的可允许范围。
• 评估不同核物质EOS模型——BSP（含奇异粒子的RMF）与包含标量/矢量库仑项的CIDDM——对 $\kappa$ 边界的影响。
• 探究尽管可能存在非物理行为，中子星与夸克星的表观EOS是否仍能满足能量条件。
• 分析标准质量-半径测量中的系统性不确定因素对推导出的 $\kappa$ 范围的影响。

提出的方法

• 采用包含奇异粒子的相对论平均场（RMF）模型与BSP参数集，描述含奇异粒子的中子星核心方程态。
• 采用包含QSK046参数及额外标量与矢量库仑项的受限同位旋密度依赖质量（CIDDM）模型，构建夸克星的方程态。
• 应用爱丁顿启发的玻恩-英菲尔德（EiBI）引力理论，推导中子星与夸克星的质量-半径关系，将 $\kappa$ 参数作为自由引力耦合常数引入。
• 计算致密性，并将预测的质量-半径关系与近期脉冲星计时与X射线观测的约束进行比较。
• 评估中子星与夸克星表观EOS的能量条件（零、弱、强），以判断其物理合理性。
• 通过改变标准质量-半径测量中的系统性不确定因素，对 $\kappa$ 边界进行敏感性分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 在EiBI理论中，哪些 $\kappa$ 值范围与观测到的中子星质量与半径一致？
• RQ2 不同的方程态——BSP（含奇异粒子的RMF）与含库仑项的CIDDM——如何影响对 $\kappa$ 的约束？
• RQ3 当中子星与夸克星的 $\kappa$ 值较大时，其致密性是否会趋于饱和？这是否能防止因果性被破坏？
• RQ4 当 $\kappa > 0$ 时，EiBI模型能否支持质量 $\gtrsim 2\,M_\odot$ 的夸克星？
• RQ5 质量-半径测量中的不确定性如何影响推导出的 $\kappa$ 边界？

主要发现

• 利用含奇异粒子的BSP-RMF EOS，中子星的EiBI引力参数 $\kappa_g$ 被约束在 $2.7 \leq \kappa_g \leq 7.9 \times 10^{-2}\ \text{m}^5\text{kg}^{-1}\text{s}^{-2}$ 范围内。
• 对于包含标量与矢量库仑项的CIDDM EOS建模的夸克星，$\kappa_g$ 被约束在 $1.6 \leq \kappa_g \leq 2.2 \times 10^{-2}\ \text{m}^5\text{kg}^{-1}\text{s}^{-2}$ 范围内。
• 在大 $\kappa$ 值下，中子星与夸克星的致密性趋于饱和，从而防止因果性被破坏，与无压强星体的先前结果一致。
• 当 $\kappa$ 超过非零阈值时，含矢量库仑项的CIDDM模型预测可形成质量 $\gtrsim 2\,M_\odot$ 的夸克星，与观测一致。
• 更刚性的方程态会因致密性约束导致 $\kappa$ 的上限更小，而因最大质量约束导致下限更大。
• 标准质量-半径测量中的系统性不确定因素可能显著影响推导出的 $\kappa$ 范围，表明结果对数据质量敏感。
• 中子星与夸克星的非物理表观方程态仍可能满足能量条件，表明这些条件本身不足以排除非物理模型。