[论文解读] Multi-messenger constraints on the neutron-star equation of state and the Hubble constant

Tim Dietrich, M. W. Coughlin+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2020

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 6

一句话总结

本研究结合GW170817、GW190425、AT2017gfo、GRB170817A及脉冲星观测的多信使数据，与手征有效场论核计算，以约束中子星状态方程并测量哈勃常数。通过逐步采用贝叶斯分析，整合引力波、千新星光变曲线及质量测量数据，结果表明1.4 M⊙中子星半径为11.75⁺⁰.⁸⁶₋₀.⁸¹ km，哈勃常数为66.2⁺⁴.⁴₋⁴.² km Mpc⁻¹ s⁻¹（90%可信区间）。

ABSTRACT

Observations of neutron-star mergers based on distinct messengers, including gravitational waves and electromagnetic signals, can be used to study the behavior of matter denser than an atomic nucleus, and to measure the expansion rate of the Universe described by the Hubble constant. We perform a joint analysis of the gravitational-wave signal GW170817 with its electromagnetic counterparts AT2017gfo and GRB170817A, and the gravitational-wave signal GW190425, both originating from neutron-star mergers. We combine these with previous measurements of pulsars using X-ray and radio observations, and nuclear-theory computations using chiral effective field theory to constrain the neutron-star equation of state. We find that the radius of a $1.4$ solar mass neutron star is $11.75^{+0.86}_{-0.81}\ m km$ at $90\%$ confidence and the Hubble constant is $66.2^{+4.4}_{-4.2}\ m km \,Mpc^{-1}\, s^{-1}$ at $1\sigma$ uncertainty.

研究动机与目标

• 通过结合多信使观测与核理论，改进对中子星状态方程（EOS）的约束。
• 利用双中子星并合的引力波与电磁数据测量哈勃常数。
• 将引力波、千新星、伽马射电暴及脉冲星质量-半径测量等天体物理观测，整合进统一的贝叶斯框架。
• 评估结果对波形模型、分析顺序及千新星建模假设的鲁棒性。
• 将低密度区的手征有效场论预测与高密度区的无模型参数扩展相结合，以确保因果性与理论一致性。

提出的方法

• 利用手征有效场论（EFT）构建5,000个中子星状态方程（EOS）模型，覆盖至1.5倍核饱和密度（nsat）以内。
• 在1.5 nsat以上，采用无模型参数化的声速平面展开方法，以保持因果性。
• 应用贝叶斯推断，逐步整合约束条件：脉冲星与GW170817/AT2017gfo给出的最大中子星质量、NICER对PSR J0030+0451的质量-半径测量、使用IMRPhenomPv2_NRTidalv2模型的GW170817引力波波形、AT2017gfo千新星光变曲线，以及包含与不包含电磁非探测结果的GW190425数据。
• 对GW170817与GW190425使用NRTidalv2波形模型，并与SEOBNRv4T对比，以检验波形敏感性。
• 通过改变分析步骤顺序并测试AT2017gfo的三种千新星模型（I–III），系统性地传播不确定性。
• 应用核密度估计法，将后验分布在各分析阶段间传播，确保先验构建的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 结合多信使数据与核理论，对1.4倍太阳质量中子星半径的最精确约束是什么？
• RQ2 AT2017gfo千新星光变曲线的引入以及GW190425未探测到电磁对应体，如何影响对中子星状态方程的约束？
• RQ3 不同引力波波形模型（如NRTidalv2与SEOBNRv4T）在多大程度上影响推断的中子星半径与哈勃常数？
• RQ4 在贝叶斯分析中，天体物理与理论约束的应用顺序对最终结果的鲁棒性如何？
• RQ5 当结合GW170817、AT2017gfo与脉冲星质量数据及核EFT约束时，哈勃常数的最终测量结果是什么？

主要发现

• 综合所有多信使数据与手征EFT约束，1.4 M⊙中子星半径在90%可信区间内被约束为11.75⁺⁰.⁸⁶₋₀.⁸¹ km。
• 哈勃常数在1σ置信水平下测量为66.2⁺⁴.⁴₋⁴.² km Mpc⁻¹ s⁻¹，来自GW170817、AT2017gfo与脉冲星质量测量的联合分析。
• 将GW170817与AT2017gfo信息纳入GW190425分析后，推断的质量加权潮汐可变形度˜Λ从140.80⁺¹⁴⁴.²²₋₆⁴.⁷³降至117.90⁺¹¹⁴.⁶⁰₋₄⁹.²⁴，支持更小的半径。
• 分析对波形模型选择具有鲁棒性：使用SEOBNRv4T替代NRTidalv2仅导致半径发生微小偏移，完全在不确定度范围内。
• 分析步骤顺序对后验分布影响较小；当NICER数据最后应用而非较早应用时，半径约束依然稳定。
• AT2017gfo的三种千新星模型（I–III）在距离-倾角测量上结果一致，统计误差范围内一致，表明结果主要受统计效应主导，而非系统效应。