[论文解读] Can the maximum mass of neutron stars rule out any equation of state of dense stellar matter before gravity is well understood?

De-Hua Wen, Bao-An Li+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2011

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用 5

一句话总结

本文认为，即使在尚未充分理解强场引力的情况下，PSR J1614-2230 的最大质量（1.97±0.04 M☉）也不能排除中子星的软方程物态（EOS）。若引入杨-米尔斯引力修正，使用包含夸克核心的软核物质EOS，作者表明当 g²/μ² ≈ 40–50 GeV⁻² 时，可支持观测到的质量，同时与地面上对非牛顿引力的约束保持一致。

ABSTRACT

Probably No! As an example, using soft EOSs consistent with existing terrestrial nuclear laboratory experiments for hybrid neutron stars containing a quark core described with MIT bag model using reasonable parameters, we show that the recently discovered new holder of neutron star maximum mass PSR J1614-2230 of $1.97\pm0.04M_{\odot}$ can be well described by incorporating a Yukawa gravitational correction that is consistent with existing constraints from neutron-proton and neutron-lead scatterings as well as the spectroscopy of antiproton atoms.

研究动机与目标

• 评估在强场引力尚未被充分理解之前，PSR J1614-2230 的观测最大质量是否能排除致密星体物质的软方程物态（EOS）
• 研究修改引力，特别是杨-米尔斯修正，是否能在软核物质EOS下仍支持高致密星质量
• 测试所需杨-米尔斯参数与现有地面上对非牛顿引力约束的一致性
• 探讨仅依靠致密星质量测量是否能解决引力模型与EOS之间的简并性问题
• 证明在短程引力被修改的情况下，具有夸克核心和软强子EOS的混合致密星仍可达到与PSR J1614-2230一致的高质量

提出的方法

• 使用MIT袋模型和与地面核实验一致的软核物质EOS，对具有夸克核心的混合致密星进行建模
• 将杨-米尔斯型引力修正引入托尔曼-奥本海默-沃尔科夫（TOV）方程，以修改引力势
• 通过改变杨-米尔斯耦合强度 g²/μ² 和袋常数 B，探索由此产生的质量-半径关系及最大质量
• 利用TOV方程计算恒星结构，包括杨-米尔斯项在高密度下对引力的作用影响
• 将预测的最大质量与PSR J1614-2230的观测质量（1.97±0.04 M☉）进行比较，以评估一致性
• 利用现有地面上的中子-质子和中子-铅散射实验，以及反质子原子光谱学数据，对杨-米尔斯参数施加约束

实验结果

研究问题

• RQ1 在引力尚未被充分理解的情况下，PSR J1614-2230的观测质量是否能排除致密星体物质的软方程物态？
• RQ2 杨-米尔斯引力修正在多大程度上能补偿软核物质EOS对高致密星质量的支持不足？
• RQ3 为重现PSR J1614-2230质量而所需的杨-米尔斯参数是否与现有地面上对非牛顿引力的约束一致？
• RQ4 引力模型与EOS之间的简并性是否阻止仅依靠致密星质量作为区分EOS的依据？
• RQ5 在引力被短程修改的条件下，具有软强子EOS和夸克核心的混合致密星是否仍能实现与PSR J1614-2230一致的质量？

主要发现

• 即使袋常数 B^{1/4} = 170 MeV，使用软核物质EOS和杨-米尔斯引力修正，仍可重现PSR J1614-2230的最大质量（1.97±0.04 M☉）
• 当 g²/μ² = 50 GeV⁻² 时，模型达到最大质量 1.97 M☉，半径约 12.4 km，与观测质量范围一致
• 当 B^{1/4} = 180 MeV 时，较小的杨-米尔斯耦合（g²/μ² = 40 GeV⁻²）已足够，表明袋常数与耦合强度之间存在权衡
• 所需杨-米尔斯参数（g²/μ² ≈ 40–50 GeV⁻²）位于地面上实验设定的上限范围内，包括中子-质子和中子-铅散射，以及反质子原子光谱学数据
• 本研究表明，若考虑修改引力，PSR J1614-2230的观测质量并不能排除软EOS，从而挑战了‘高质质量本身即排除软物质EOS’的假设
• 结果表明强场引力仍不确定，且仅靠致密星质量测量无法在缺乏额外可观测量的情况下，将EOS与引力效应区分开来