[论文解读] Constraining the equation of state with gravitational wave observation

Rana Nandi, Prasanta Char+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2018

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文利用GW170817的引力波数据和中子星质量测量结果，对核物质方程态施加约束，将相对论平均场模型与潮汐变形度及中子皮厚度进行对比分析。研究发现，仅有少数刚性方程态与软对称能的组合满足约束条件，从而得出1.4倍太阳质量中子星的半径上限为R(1.4M⊙) < 12.9 km。

ABSTRACT

The first detection of gravitational waves from binary neutron star merger event GW170817 has started to provide important new constraints on the nuclear equation of state at high density. The tidal deformability bound of GW170817 combined with the observed 2M_solar neutron star poses serious challenge to theoretical formulations of realistic equation of state. We analyze a fully comprehensive set of relativistic nuclear mean-field theories by confronting with the observational bounds and the measured neutron-skin thickness. We find only few models can withstand these bounds which predict a stiff overall equation of state but with a soft neutron-proton symmetry energy. Two possible indications are proposed: Circumstantial evidence of hadron-quark phase transition inside the star and new parametrizations that are consistent with ground state properties of finite nuclei and observational bounds. Based on extensive analysis of these sets, an upper limit on the radius of a 1.4M_solar neutron star of R(1.4M_solar) < 12.9 km is deduced.

研究动机与目标

• 利用GW170817的引力波观测数据，对高密度区核物质方程态进行约束。
• 调和理论中子星模型与观测到的潮汐变形度及2M⊙质量极限之间的关系。
• 评估相对论平均场模型在同时满足核物质基态性质与天体物理观测方面的自洽性。
• 识别同时满足中子皮厚度测量与引力波约束的可行方程态。

提出的方法

• 系统评估一组全面的相对论核平均场理论，以符合观测约束。
• 将GW170817的潮汐变形度作为方程态约束的关键依据。
• 引入原子核的中子皮厚度测量结果，以进一步限制模型参数。
• 分析聚焦于同时满足2M⊙质量约束与潮汐变形度限制的模型。
• 隐含采用贝叶斯或似然方法，根据与数据的一致性对模型进行排序。
• 从通过检验的模型中推导出1.4M⊙中子星的半径，以建立上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些相对论平均场形式的核物质方程态与GW170817的潮汐变形度及2M⊙中子星质量一致？
• RQ2 中子皮厚度测量如何限制对称能与方程态？
• RQ3 引力波与核物理数据的结合对中子星中是否存在强子-夸克相变有何启示？
• RQ4 刚性整体方程态能否与软对称能共存？这对中子星结构有何影响？
• RQ5 在当前观测与理论约束下，1.4M⊙中子星半径的最紧致上限是多少？

主要发现

• 仅有极少数相对论平均场模型能同时满足GW170817的潮汐变形度与2M⊙中子星质量的联合约束。
• 这些通过检验的模型预测整体方程态为刚性，但中子-质子对称能较软。
• 间接证据表明中子星内部可能存在强子-夸克相变。
• 模型揭示了一类新型参数化形式，可同时与有限核基态性质及天体物理观测保持一致。
• 确立了1.4倍太阳质量中子星半径的上限为R(1.4M⊙) < 12.9 km。