[论文解读] Bayesian analysis of multimessenger M-R data with interpolated hybrid EoS

Alexander Ayriyan, D. Blaschke+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 88被引用 52

一句话总结

该论文提出了一种基于新颖的两区域抛物插值法的贝叶斯分析，用于研究多信使中子星数据，该方法在软强子方程态（APR）与基于非局域NJL模型的刚性颜色超导夸克物质方程态之间进行插值，包含两个自由参数（ηD, ηV）。关键结果表明，数据强烈支持颜色超导夸克相，其中ηD ≈ 0.75，且最可能的方程态无法支持超过2.5 M⊙的最大质量，这意味着GW190814更可能是双黑洞并合，而非中子星-黑洞系统。

ABSTRACT

We introduce a family of equations of state (EoS) for hybrid neutron star (NS) matter that is obtained by a two-zone parabolic interpolation between a soft hadronic EoS at low densities and a set of stiff quark matter EoS at high densities within a finite region of chemical potentials $\mu_H < \mu < \mu_Q$. Fixing the hadronic EoS as the APR one and choosing the color-superconducting, nonlocal NJL model with two free parameters for the quark phase, we perform Bayesian analyses with this two-parameter family of hybrid EoS. Using three different sets of observational constraints that include the mass of PSR J0740+6620, the tidal deformability for GW170817, and the mass-radius relation for PSR J0030+0451 from NICER as obligatory (set 1), while set 2 uses the possible upper limit on the maximum mass from GW170817 as an additional constraint and set 3 instead of the possibility that the lighter object in the asymmetric binary merger GW190814 is a neutron star. We confirm that in any case, the quark matter phase has to be color superconducting with the dimensionless diquark coupling approximately fulfilling the Fierz relation $\eta_D=0.75$ and the most probable solutions exhibiting a proportionality between $\eta_D$ and $\eta_V$, the coupling of the repulsive vector interaction that is required for a sufficiently large maximum mass. We used the Bayesian analysis to investigate with the method of fictitious measurements the consequences of anticipating different radii for the massive $2~M_\odot$ PSR J0740+6220 for the most likely equation of state. With the actual outcome of the NICER radius measurement on PSR J0740+6220 we could conclude that for the most likely hybrid star EoS would not support a maximum mass as large as $2.5~M_\odot$ so that the event GW190814 was a binary black hole merger.

研究动机与目标

• 开发一种灵活且具有物理依据的混合中子星方程态（EoS）族，通过在强子相与夸克物质相之间采用两区域抛物插值法。
• 对多信使约束（质量、半径、潮汐去形变）进行贝叶斯分析，推断方程态参数的后验分布。
• 在不同观测假设下（包括GW190814中致密天体的性质），测试方程态约束的鲁棒性。
• 通过为PSR J0740+6620虚构NICER半径测量值，评估该方法的预测能力。
• 确定PSR J0740+6620观测到的最大质量2.14 M⊙是否与支持更高质量的混合方程态模型相容。

提出的方法

• 通过在低密度下插值软APR方程态与高密度下非局域NJL模型的色超导夸克物质方程态，构建一个双参数混合方程态族。
• 在化学势空间中，于µH = 991 MeV（n ≈ 1.5n₀）与µQ之间采用抛物插值，确保平滑过渡并避免非物理的再禁闭。
• 采用贝叶斯推断，使用三组不同的观测约束：(1) PSR J0740+6620质量、GW170817潮汐去形变与NICER J0030+0451半径；(2) 增加来自GW170817的Mmax上限；(3) 假设GW190814较轻的组分是中子星。
• 使用虚构测量方法，模拟未来PSR J0740+6620的NICER半径测量值，并评估其对EoS推断的影响。
• 计算方程态模型的后验概率，并通过相对后验归一化比较不同约束集下的结果。
• 分析所得的M–R序列、EoS压强-能量密度关系以及潮汐去形变相关性（Λ1–Λ2），以提取物理约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强子相与夸克物质相方程态之间采用两区域抛物插值，是否能产生无非物理再禁闭的物理上可行的混合星？
• RQ2 在色超导夸克物质相中，二夸克耦合（ηD）与矢量相互作用强度（ηV）的后验约束为何？
• RQ3 将PSR J0740+6620的质量与半径作为约束条件，是否更倾向于支持更高最大质量的方程态模型？
• RQ4 观测到的PSR J0740+6620质量2.14 M⊙是否与满足GW170817与NICER约束的混合方程态模型相容？
• RQ5 在推断的方程态约束下，GW190814是中子星-黑洞并合的可能性有多大？

主要发现

• 贝叶斯分析支持颜色超导夸克物质相，其中二夸克耦合ηD ≈ 0.75，与Fierz关系一致。
• 最可能的方程态解表现出ηD与ηV之间的强相关性，其中排斥性矢量相互作用（ηV）对于实现足够大的中子星最大质量至关重要。
• 推断的方程态族无法支持超过2.5 M⊙的最大质量，这排除了GW190814中存在质量≈2.6 M⊙中子星的可能性。
• PSR J0740+6620的实际NICER半径测量值（R ≈ 11.4 km）表明，最可能的混合方程态无法支持2.5 M⊙的恒星，进一步支持GW190814更可能是双黑洞并合的结论。
• 虚构测量方法成功预测，未来PSR J0740+6620的NICER半径测量将显著约束方程态，尤其是在高密度区域。
• 在使用相同约束集（集合1）时，本研究的方程态模型族的相对后验概率比先前模型（参考文献[11]）高出五倍以上，表明其数据兼容性更优。