[论文解读] Nuclear constraints on gravitational waves from deformed pulsars

Plamen Krastev, Bao-An Li|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 3被引用 3

一句话总结

本文利用地基实验获得的核物质方程态（EOS）约束，估算15颗椭球形变形的毫秒脉冲星可能产生的最大引力波应变振幅。结果表明，应变振幅范围为 $[0.2-31.1] \times 10^{-24}$，在假设地壳破裂应变较为乐观的条件下，LIGO/VIRGO 可能探测到此类信号，但 EOS、地壳强度及脉冲星参数的显著不确定性仍构成主要挑战。

ABSTRACT

The recent direct detection of gravitational waves (GWs) from binary black hole mergers (2016, Phys. Rev. Lett. 116, no. 6, 061102; no. 24, 241103) opens up an entirely new non-electromagnetic window into the Universe making it possible to probe physics that has been hidden or dark to electromagnetic observations. In addition to cataclysmic events involving black holes, GWs can be triggered by physical processes and systems involving neutron stars. Properties of neutron stars are largely determined by the equation of state (EOS) of neutron-rich matter, which is the major ingredient in calculating the stellar structure and properties of related phenomena, such as gravitational wave emission from elliptically deformed pulsars and neutron star binaries. Although the EOS of neutron-rich matter is still rather uncertain mainly due to the poorly known density dependence of nuclear symmetry energy at high densities, significant progress has been made recently in constraining the symmetry energy using data from terrestrial nuclear laboratories. These constraints could provide useful information on the limits of GWs expected from neutron stars. Here after briefly reviewing our previous work on constraining gravitational radiation from elliptically deformed pulsars with terrestrial nuclear laboratory data in light of the recent gravitational wave detection, we estimate the maximum gravitational wave strain amplitude, using an optimistic value for the breaking strain of the neutron star crust, for 15 pulsars at distances 0.16 kpc to 0.91 kpc from Earth, and find it to be in the range of $\sim[0.2-31.1] imes 10^{-24}$, depending on the details of the EOS used to compute the neutron star properties. Implications are discussed.

研究动机与目标

• 评估利用当前 LIGO/VIRGO 敏感度探测椭球形变形脉冲星连续引力波的可能性。
• 基于核实验室数据（特别是核对称能的密度依赖性）约束引力波辐射。
• 评估中子星地壳强度、方程态及脉冲星参数的不确定性对预测应变振幅的影响。
• 将理论应变上限与当前探测器灵敏度进行比较，并解释尽管理论上具有可探测性，但尚未发现引力波信号的原因。

提出的方法

• 采用受地基核数据约束的 MDI（改进的狄拉克-布雷克纳-哈特ree）方程态来模拟中子星结构。
• 利用近似公式 $ h_0 \sim \Phi_{22} \nu^2 / r $ 计算最大四极矩和引力波应变振幅，其中 $ \Phi_{22} $ 为质量四极矩。
• 应用乐观的地壳破裂应变 $ \sigma = 0.1 $ 以估算最大可能形变，从而得到最大应变。
• 对距离在 0.16 至 0.91 kpc 之间、自转频率低于 300 Hz 的 15 颗脉冲星进行评估。
• 将预测的应变振幅与当前 LIGO 和 VIRGO 探测器的灵敏度进行比较。
• 研究结果对中子星质量、方程态细节及距离不确定性的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于核物质方程态约束，椭球形变形的毫秒脉冲星可能产生的最大引力波应变振幅是多少？
• RQ2 中子星地壳破裂应变的不确定性如何影响引力波探测的可实现性？
• RQ3 方程态和中子星质量的变化在多大程度上影响预测的应变振幅？
• RQ4 尽管理论上预测应变水平可探测，为何至今尚未探测到这些脉冲星的引力波信号？
• RQ5 当前探测器的灵敏度与这些源的预测应变振幅上限相比如何？

主要发现

• 根据所采用的方程态不同，15 颗脉冲星的最大引力波应变振幅估计范围为 $[0.2-31.1] \times 10^{-24}$。
• 最高的应变估计值 $31.1 \times 10^{-24}$ 出现在最乐观的假设下，特别是地壳破裂应变 $ \sigma = 0.1 $ 的情况下。
• 应变振幅随中子星质量增加而减小，表明质量更大的脉冲星辐射的引力波更弱。
• LIGO/VIRGO 尚未探测到信号，可能是因为对地壳强度的假设过于乐观，因为理论估算的 $ \sigma $ 值可相差多达四个数量级。
• 距离不确定性达 2–3 倍，以及四极矩建模的简化，进一步降低了在当前假设下探测到信号的可能性。
• 通过求解爱因斯坦方程的完整数值方法提高质量四极矩的准确性，对于获得更可靠的预测至关重要。