[论文解读] Bayesian model-selection of neutron star equation of state using multi-messenger observations

B. Biswas|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 4

一句话总结

本研究利用多信使数据（包括GW170817和GW190425的引力波信号，以及NICER和PSR J0030+0451与PSR J0740+6620的射电观测的质量-半径测量），对31种基于核物理的中子星方程态（EoS）模型进行贝叶斯模型选择。结果表明，AP3（或MPA1）EoS为最被青睐的模型，其1.4 M⊙中子星半径为12.10 km，潮汐变形因子为393；而极端刚硬或柔软的EoS模型（如MS1、MS1B、SKI5、H4和WFF1）被明确排除。

ABSTRACT

Measurement of macroscopic properties of neutron stars, whether in binary or in an isolated system, provides us a key opportunity to place a stringent constraint on its equation of state. In this paper, we perform Bayesian model-selection on a wide variety of neutron star equation of state using multi-messenger observations. In particular, (i) we use the mass and tidal deformability measurement from two binary neutron star merger event, GW170817 and GW190425; (ii) simultaneous mass-radius measurement of PSR J0030+0451 and PSR J0740+6620 by NICER collaboration, while the latter has been analyzed by joint NICER/radio/XMM-Newton collaboration. Among the 31 equations of state considered in this analysis, we are able to rule out different variants of MS1 family, SKI5, H4, and WFF1 EoSs decisively, which are either extremely stiff or soft equations of state. The most preferred equation of state model turns out to be AP3 (or MPA1), which predicts the radius and dimensionless tidal deformability of a $1.4 M_{\odot}$ neutron star to be 12.10 (12.50) km and 393 (513) respectively.

研究动机与目标

• 利用当前的多信使观测，确定在广泛核物理驱动的中子星方程态（EoS）模型中，最具有统计优势的EoS。
• 在引力波与电磁约束联合条件下，评估每种EoS模型的统计证据。
• 基于观测数据，建立当前EoS模型状态的基准，为未来EoS建模与数值模拟提供参考。
• 评估在不同数据组合（包括PSR J0740+6620的修订质量测量）下，EoS选择结果的稳健性。

提出的方法

• 对31种源自不同核多体近似方法的中子星EoS模型应用贝叶斯模型选择。
• 分析结合了双中子星并合事件GW170817与GW190425的引力波观测数据，提供质量与潮汐变形因子的测量约束。
• 整合了来自NICER和射电观测的电磁约束，特别是PSR J0030+0451与PSR J0740+6620的质量-半径测量。
• 通过贝叶斯证据（边缘似然）计算每种EoS模型的证据，从而利用贝叶斯因子实现模型比较。
• 使用LalSuite软件包计算所有EoS模型下1.4 M⊙中子星的宏观物理量（如半径与潮汐变形因子）。
• 排除了除HQC18外所有具有相变的EoS模型，其中HQC18作为包含夸克-强子物质的混合相模型被保留在分析中。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前多信使观测中，哪种中子星方程态最被支持？
• RQ2 引力波与电磁观测如何联合约束中子星物质的刚度与柔软度？
• RQ3 哪些EoS模型被联合数据明确排除？其半径与潮汐变形因子的定量限制是什么？
• RQ4 将PSR J0740+6620的修订质量测量纳入后，对模型选择结果有何影响？
• RQ5 结果在多大程度上与核物理数据（如Li & Steiner, 2006年研究）的预测一致？

主要发现

• AP3（或MPA1）方程态被确定为最被青睐的模型，其1.4 M⊙中子星半径为12.10 km，潮汐变形因子为393。
• MS1、MS1B、MS1B_PP、MS1_PP与SKI5等EoS模型因极端刚硬被明确排除，其预测半径≥14.07 km，潮汐变形因子≥1009。
• WFF1 EoS因极端柔软被明确排除，其预测1.4 M⊙半径为10.42 km，潮汐变形因子为153。
• H4 EoS同样被明确排除，其预测1.4 M⊙中子星半径为13.69 km，潮汐变形因子为897。
• 分析表明，中子星EoS既不能过刚也不能过软，1.4 M⊙中子星的优选半径范围与核物理数据预测的11.5–13.6 km一致。
• 该方法为未来通过一致的贝叶斯框架整合新的多信使观测数据，实现EoS模型比较提供了支持。