[论文解读] Neutron star cooling and GW170817 constraint within quark-meson coupling models

O. Lourenço, César H. Lenzi+7 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 126被引用 4

一句话总结

本研究评估了五种夸克-介子耦合（QMC）模型——其中两种基于原始袋势，三种采用谐振子夸克束缚——与GW170817引力波约束及中子星冷却观测的一致性。研究发现，对称能斜率与GW170817符合度之间无明显相关性，但对称能斜率与冷却速度之间存在强烈关联：斜率越高，冷却越快；然而，没有任何一种模型能同时满足GW170817约束与冷却数据。

ABSTRACT

In the present work we used five different versions of the quark-meson coupling (QMC) model to compute astrophysical quantities related to the GW170817 event and to neutron star cooling process. Two of the models are based on the original bag potential structure and three versions consider a harmonic oscillator potential to confine the quarks. The bag-like models also incorporate the pasta phase used to describe the inner crust of neutron stars. We show that the pasta phase always play a minor or negligible role in all studies. Moreover, while no clear correlation between the models that satisfy the GW170817 constraints and the slope of the symmetry energy is found, a clear correlation is observed between the slope and the fact that the cooling is fast or slow, i.e., fast (slow) cooling is related to higher (lower) values of the slope. We did not find one unique model that can describe, at the same time, GW170817 constraints and give a perfect description of the possible cooling processes.

研究动机与目标

• 评估五种QMC模型变体与GW170817对潮汐形变和质量-半径关系约束的一致性。
• 研究意大利面相在中子星内壳中的作用及其对潮汐极化率和冷却的影响。
• 确定是否存在一种独特的QMC模型，能同时满足GW170817约束并重现观测到的中子星冷却行为。
• 探讨对称能斜率在不同QMC形式中对冷却动力学和潮汐性质的影响。
• 评估吸积大气层对冷却模拟中表面温度演化的影响。

提出的方法

• 采用五种QMC模型变体：两种使用袋势（含ωρ相互作用），三种使用谐振子夸克束缚。
• 使用平均场近似计算方程态（EOS），并引入标量（σ）、矢量（ω, ρ）和赝标量（π）介子场。
• 在基于袋势的模型中包含意大利面相，以模拟不均匀核物质结构。
• 计算1.4 M☉中子星的潮汐极化率（Λ）和Love数，以与GW170817后验约束进行比较。
• 执行热演化模拟，采用URCA过程、声子发射和光子发射机制来建模冷却过程。
• 测试10⁻¹⁰ M☉吸积大气层对表面温度的影响，以改善与观测的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些QMC模型变体满足GW170817对潮汐形变和质量-半径关系的约束？
• RQ2 对称能斜率与QMC模型再现GW170817约束的能力之间存在何种相关性？
• RQ3 意大利面相在决定中子星潮汐极化率和冷却速率方面起什么作用？
• RQ4 是否存在一种独特的QMC模型，能同时描述GW170817约束和观测到的中子星冷却行为？
• RQ5 吸积大气层如何影响QMC模型中表面温度演化和冷却速度？

主要发现

• 仅有两种模型——QMC ωρ和MQMC3——产生的潮汐形变值落在GW170817中1.4 M☉中子星90%可信区间的范围内。
• 未发现对称能斜率与模型满足GW170817约束能力之间存在明显相关性。
• 对称能斜率与冷却速度之间存在强烈相关性：斜率越高，冷却越快；斜率越低，冷却越慢。
• 意大利面相对潮汐极化率和冷却的影响较小，当不考虑超导性时，仅使冷却加速约3.5年。
• QMC（含意大利面）和MQMC2模型与观测冷却数据的符合度最佳，尽管均未能完全重现最高观测表面温度。
• 适度的10⁻¹⁰ M☉吸积大气层可改善表面温度的符合度，但因增强黑体辐射而加速了后期冷却。