[论文解读] Impacts of NICER's Radius Measurement of PSR J0740+6620 on Nuclear Symmetry Energy at Suprasaturation Densities

Naibo Zhang, Bao-An Li|arXiv (Cornell University)|May 23, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 9被引用 6

一句话总结

本研究利用NICER对大质量中子星PSR J0740+6620的半径测量结果（$M = 2.08 \pm 0.07~M_\odot$，在68%置信水平下$R_{2.01} \geq 12.2$ km），通过中子星可观测量的三维反演方法，对超饱和密度下的核对称能进行约束。研究排除了在$1.0\sim3.0~\rho_0$密度范围内涉及质子极化子的超软对称能情景。

ABSTRACT

By directly inverting several neutron star observables in the three-dimensional parameter space for the Equation of State of super-dense neutron-rich nuclear matter, we show that the lower radius limit $R_{2.01}\geq 12.2$ km at 68\% confidence level for PSR J0740+6620 of mass $2.08\pm 0.07~M_{\odot}$ from Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER)'s very recent observation sets a much tighter lower boundary than previously known for nuclear symmetry energy in the density range of $(1.0\sim 3.0)$ times the saturation density $ ho_0$ of nuclear matter. The super-soft symmetry energy leading to the formation of proton polarons in this density region of neutron stars is firmly ruled out by the first radius measurement for the most massive neutron star observed reliably so far.

研究动机与目标

• 利用迄今观测到的最重的中子星，约束超饱和密度下的核对称能。
• 评估预测中子星中形成质子极化子的超软对称能模型的可行性。
• 通过NICER半径数据的多维反演，改进对富中子核物质方程状态的约束。
• 建立对大质量中子星半径的更紧下限，减少对称能行为的不确定性。

提出的方法

• 在方程状态的参数空间中，对中子星可观测量（质量与半径）执行三维反演。
• 该方法将NICER对PSR J0740+6620的观测约束映射至$1.0\sim3.0~\rho_0$密度范围内的对称能函数形式。
• 使用统计置信水平（68%）推导出在$2.01~M_\odot$时半径的下限。
• 该分析评估了对称能模型与观测半径极限的一致性，特别测试了超软行为。
• 将质子极化子形成作为超软对称能的物理特征进行评估，若满足半径约束，则该情形被排除。

实验结果

研究问题

• RQ1 NICER对PSR J0740+6620的半径测量对超饱和密度下的核对称能施加了何种约束？
• RQ2 预测中子星中形成质子极化子的超软对称能模型能否与PSR J0740+6620的观测半径一致？
• RQ3 在$2.01~M_\odot$时$R_{2.01} \geq 12.2$ km的半径下限如何影响方程状态的允许参数空间？
• RQ4 最重中子星的半径对$1.0\sim3.0~\rho_0$密度范围内对称能行为有何影响？

主要发现

• 在68%置信水平下，PSR J0740+6620在$2.01~M_\odot$时的半径被约束为$R_{2.01} \geq 12.2$ km。
• 该半径限制在$1.0\sim3.0~\rho_0$密度范围内，对对称能的下限设定了比以往更严格的约束。
• 预测形成质子极化子的超软对称能模型被观测半径约束彻底排除。
• 结果表明，对称能必须在超饱和密度下足够坚硬，才能支持半径不小于12.2 km的大质量中子星。