[论文解读] Exploring hybrid equation of state with constraints from tidal deformability of GW170817

Qing-Wu Wang, Chao Shi+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用 5

一句话总结

本研究通过在压强-重子化学势平面上使用P-μ插值法，构建了中子星的混合方程态（EOS），结合了自洽的两味Nambu-Jona-Lasinio（NJL）模型（用于夸克相）和相对论平均场（RMF）理论（用于强子相）。研究发现，增加矢量通道权重参数α会使EOS变硬，从而使最大中子星质量超过2 M⊙；当通过增加插值宽度Γ来拓宽相变区域时，GW170817的潮汐形变预测与观测结果一致。

ABSTRACT

With a interpolation method on the P-$μ$ plane, a hybrid equation of state is explored. The quark phase is described by our newly developed self-consistent two-flavor Nambu$-$Jona-Lasinio model. It retains the contribution from the vector channel in the Fierz-transformed Lagrangian by introducing a weighting parameter $α$ [Chin. Phys. C extbf{43}, 084102 (2019)]. In the hadron phase we use the relativistic mean-field theory. We study the dependence of hybrid EOS and mass-radius relation on $α$. It is found that increasing $α$ makes the hybrid EOS softer in the medium pressure. We can get stellar mass larger than $2M_\odot$. Further, we calculate the tidal deformability $ ildeΛ$ for binary stars and compare with recent analysis GW170817 [Phys. Rev. X extbf{9}, 011001 (2019)].

研究动机与目标

• 通过在P-μ平面上使用新颖的插值方法，构建平滑连接强子相与夸克相应相的混合中子星方程态（EOS）。
• 研究自洽两味NJL模型中矢量通道强度参数α对混合EOS刚度及最大质量的影响。
• 检验混合EOS预测的潮汐形变是否与GW170817双中子星并合观测结果的约束一致。
• 评估通过吉布斯构造实现的交叉相变（而非通过麦克斯韦构造实现的一级相变）在解释当前中子星数据方面的可行性。

提出的方法

• 使用插值函数f±(μ)在P-μ平面上平滑连接强子相与夸克相，其中参数μc（中心化学势）和Γ（相变区域半宽）定义混合相。
• 总能量密度通过ε(μ) = εH(μ)f−(μ) + εQ(μ)f+(μ) + Δε计算，通过校正项Δε确保热力学一致性。
• 强子相由相对论平均场（RMF）理论的NL3参数集描述，而夸克相采用可调矢量通道权重α的自洽两味NJL模型。
• 相变通过吉布斯构造建模为交叉相变，避免了重子数密度的不连续性，从而实现质量-半径关系的平滑。
• 通过匹配禁闭化学势与重子化学势的平衡条件校准模型，将μc和Γ固定为α的函数。
• 计算双星系统的潮汐形变Λ̃，并与GW170817约束Λ̃ = 300+420−230（对应质量在1.16至1.60 M⊙之间的双星）进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 NJL模型中的矢量通道强度参数α如何影响混合EOS的刚度与最大质量？
• RQ2 通过吉布斯构造实现的平滑交叉相变能否再现GW170817中观测到的潮汐形变？
• RQ3 为使混合EOS与高质质量中子星观测及GW170817约束一致，插值参数μc与Γ应取何值？
• RQ4 具有宽相变区域的混合EOS是否可避免麦克斯韦构造中出现的质量孪生现象？
• RQ5 该混合模型中1.4 M⊙中子星的半径预测值是多少？是否满足当前观测约束？

主要发现

• 将NJL模型中的矢量通道参数α从0.5增至0.9，会使混合EOS变硬，使最大中子星质量超过2 M⊙。
• 当α ≥ 0.7时，最大质量超过2 M⊙，满足PSR J1614−2230（1.928±0.017 M⊙）、PSR J0348+0432（2.01±0.04 M⊙）和MSP J0740+6620（2.14+0.10−0.09 M⊙）的观测约束。
• 当α = 0.5、Γ = 500 MeV、μc = 1300 MeV时，1.16 M⊙–1.609 M⊙双星系统的潮汐形变Λ̃为330.689，落在GW170817约束300+420−230范围内。
• 当Γ增至600 MeV时，潮汐形变Λ̃值落入GW170817分析的优选范围，表明与观测结果的一致性更好。
• 1.4 M⊙中子星的半径预测值为≤13.76 km或≤13.6 km，具体取决于夸克真空压强，满足模型相关的观测约束。
• 该模型表明，具有宽交叉相变区域（吉布斯构造）的混合EOS是可行的，而纯强子相或基于麦克斯韦构造的混合EOS则因潮汐形变数据被排除。