[论文解读] How well does GW170817 constrain the equation of state of dense matter

Ingo Tews, J. Margueron+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2018

Geological and Geophysical Studies被引用 2

一句话总结

本研究结合基于手征有效场论的中子物质方程的态（EOS）与来自GW170817的引力波数据，以约束致密物质的方程的态（EOS）。通过比较仅允许平滑变化的最小模型与允许相变的声速参数化模型，发现GW170817并未显著改善对核饱和密度以上区域的EOS约束，预测联合潮汐极化率范围为$\tilde{\Lambda} = 80\text{--}580$（最小模型为$280\text{--}480$），且$R_{1.4}$被约束在$9.0\text{--}13.6$ km之间。

ABSTRACT

The correlation of the tidal polarizabilities $\Lambda_1$-$\Lambda_2$ for GW170817 is predicted by combining dense-matter equations of state (EOSs) that satisfy nuclear physics constraints with the chirp mass and mass asymmetry for this event. Our models are constrained by calculations of the neutron-matter EOS using chiral effective field theory Hamiltonians with reliable error estimates up to once or twice the nuclear saturation density. In the latter case, we find that GW170817 does not improve our understanding of the EOS. We contrast two distinct extrapolations to higher density: a minimal model (MM) which assumes that the EOS is a smooth function of density described by a Taylor expansion and a more general model parametrized by the speed of sound that admits phase transitions. This allows us to identify regions in the $\Lambda_1$-$\Lambda_2$ plots that could favor the existence of new phases of matter in neutron stars. We predict the combined tidal polarizability of the two neutron stars in GW170817 to be $80\le ilde{\Lambda}\le 580$ ($280\le ilde{\Lambda}\le 480$ for the MM), which is smaller than the range suggested by the LIGO-Virgo data analysis. Our analysis also shows that GW170817 requires a NS with $M=1.4M_\odot$ to have a radius $9.0<R_{1.4}<13.6$~km ($ 11.3 <R_{1.4}< 13.6$~km for the MM).

研究动机与目标

• 评估GW170817对致密中子富集物质方程的态（EOS）的约束能力。
• 评估GW170817的引力波数据是否能改善对核饱和密度以上区域的EOS约束。
• 比较两种外推模型——最小平滑EOS与声速参数化模型——以识别可能指示相变的潮汐极化率空间区域。
• 为$M=1.4M_\odot$的潮汐极化率$\tilde{\Lambda}$与中子星半径$R_{1.4}$推导定量边界。

提出的方法

• 使用手征有效场论哈密顿量构建中子物质EOS，并估计其误差范围至两倍核饱和密度。
• 应用核物理约束以筛选出物理上合理的方程的态（EOS）。
• 利用GW170817的啁啾质量与质量不对称性，计算双星系统的潮汐极化率$\Lambda_1$与$\Lambda_2$。
• 实施两种不同的外推模型：一种是最小模型（MM），假设密度展开为平滑泰勒级数；另一种是允许通过声速参数化实现相变的一般模型。
• 采用贝叶斯推断计算在两种模型下$\tilde{\Lambda}$与$R_{1.4}$的后验分布。
• 将预测的$\tilde{\Lambda}$范围与LIGO-Virgo数据分析结果进行比较，以评估一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 GW170817是否能显著改善对核饱和密度以上区域致密物质方程的态（EOS）的约束？
• RQ2 在潮汐极化率预测方面，平滑EOS模型与具备相变能力的模型之间有何差异？
• RQ3 在最小模型与一般模型下，联合潮汐极化率$\tilde{\Lambda}$与中子星半径$R_{1.4}$的预测范围分别是什么？
• RQ4 预测的$\tilde{\Lambda}$值是否与LIGO-Virgo数据分析结果一致？
• RQ5 在$\Lambda_1$-$\Lambda_2$平面中，哪些区域可能指示中子星内存在相变？

主要发现

• GW170817的联合潮汐极化率预测范围为$80 \leq \tilde{\Lambda} \leq 580$，最小模型预测范围为$280 \leq \tilde{\Lambda} \leq 480$。
• 预测的$\tilde{\Lambda}$范围小于LIGO-Virgo数据分析结果推断的范围，表明可能存在张力或模型依赖性。
• 对于质量为$1.4M_\odot$的中子星，其半径被约束在$9.0 < R_{1.4} < 13.6$ km之间，最小模型进一步收紧为$11.3 < R_{1.4} < 13.6$ km。
• 研究发现，在使用最小模型时，GW170817并未显著改善对两倍核饱和密度以上区域EOS的约束。
• 在$\Lambda_1$-$\Lambda_2$平面中，偏离平滑行为的区域被识别为中子星内可能存在相变的潜在指标。
• 声速参数化模型允许更广泛地探索可能的高密度相，凸显了新相可能占优的区域。