[论文解读] Dense Matter in Neutron Star: Lessons from GW170817

Sarmistha Banik, Debades Bandyopadhyay|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 4

一句话总结

本文利用GW170817中子星并合的多信使数据，研究中子星中致密物质的状态方程（EoS）。基于密度依赖的相对论强子场理论，发现包含Λ超子的BHB Λφ EoS与观测到的中子星最大质量上限（约2.16 M⊙）及潮汐变形参数最为一致，因此是所测试模型中最受青睐的EoS。

ABSTRACT

Neutron star merger event GW170817 sets an upper limit on the maximum mass of non-rotating neutron stars. Consequently, this event puts strong constraints on the dense matter equation of state (EoS). A comparative study of dense matter equations of state (EoSs) is presented here. It is found that the $Λ$ hyperon EoS BHB$Λϕ$ (Banik, Hempel $\&$ Bandyopadhyay 2014) constructed within the framework of the density dependent hadron field theory is favoured.

研究动机与目标

• 利用GW170817的多信使数据，约束中子星中致密物质的状态方程（EoS）。
• 评估包含超子的各类EoS模型（尤其是含超子的模型）与中子星最大质量观测极限的一致性。
• 确定哪一EoS最能满足最大质量上限（2.16 M⊙）与来自GW170817的潮汐变形参数的双重约束。
• 评估超子（特别是Λ超子）在软化EoS并影响中子星结构中的作用。
• 在当前天体物理约束下，将BHB Λφ EoS与其他广泛使用的EoS（如LS220、APR4、SFHo、DD2）进行比较。

提出的方法

• 使用密度依赖的相对论强子场理论（DDRH）构建BHB Λφ EoS，引入Λ超子及介质效应。
• 应用扩展的核统计平衡（NSE）模型描述亚饱和密度下的非均匀物质，包括原子核、核子和轻子。
• 采用相对论平均场（RMF）近似处理核子相互作用，并考虑库仑、屏蔽及排除体积效应。
• 计算非均匀物质的规范配分函数，包含自由核子、原子核及库仑相互作用的贡献。
• 将EoS预测与观测约束进行比较：来自PSR J09708+0534的中子星最大质量下限（2.01 M⊙）与来自GW170817推导出的最大质量上限（2.16 M⊙）。
• 利用来自GW170817的潮汐形变参数进一步约束EoS模型，排除刚性或不一致的EoS。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些致密中子星物质的状态方程与来自GW170817的非旋转中子星最大质量上限一致？
• RQ2 不同EoS的核物质性质（饱和密度、对称能、压缩模量、斜率）与实验约束相比如何？
• RQ3 在EoS中引入Λ超子对EoS刚性及中子星最大质量有何影响？
• RQ4 哪一EoS最能同时匹配GW170817观测到的潮汐形变与脉冲星观测所得的质量约束？
• RQ5 为何BHB Λφ EoS被发现优于其他含超子或仅含核子的EoS（如DD2、APR4或LS220）？

主要发现

• 在DDRH框架下构建、并包含Λ超子的BHB Λφ EoS，与来自GW170817的中子星最大质量上限2.16 M⊙一致。
• 该EoS也与来自GW170817推导出的潮汐形变参数一致，从而排除了LS220、APR4和H4等刚性EoS。
• 在所测试的EoS中，仅BHB Λφ、SFHo和DD2的核物质性质接近实验值，但DD2因质量上限被排除。
• LS220、MS1、APR4和H4 EoS与压缩模量（K）或对称能斜率（L）的实验约束不一致，导致物理上不合理的刚性或软化。
• BHB Λφ EoS预测的最大质量为2.11 M⊙，处于2.01–2.16 M⊙的观测窗口内。
• 研究结论认为，BHB Λφ EoS中引入Λ超子产生了软化效应，使EoS与观测一致，且未违反质量或潮汐约束。