[论文解读] Nuclear limits on properties of pulsars and gravitational waves

Plamen Krastev, Bao-An Li|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2010

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 9被引用 4

一句话总结

本文利用核实验数据约束中子丰富物质的状态方程（EOS），并将其应用于预测快速旋转脉冲星的性质及引力波信号。通过结合地面重离子实验数据与广义相对论模型，该研究首次基于核物理实验数据直接约束了毫秒脉冲星的引力波应变与椭率，应变上限范围为 $2.24 \times 10^{-27}$ 至 $1.5 \times 10^{-24}$，具体取决于距离与EOS模型。

ABSTRACT

Pulsars are among the most mysterious astrophysical objects in the Universe and are believed to be rotating neutron stars formed in supernova explosions. They are unique testing grounds of dense matter theories and gravitational physics and also provide links among nuclear physics, particle physics and General Relativity. Neutron stars may exhibit some of the most extreme and exotic characteristics that could not be found elsewhere in the Universe. Their properties are largely determined by the equation of state (EOS) of neutron-rich matter, which is the chief ingredient in calculating neutron star structure and properties of related phenomena, such as gravitational wave emission from deformed pulsars. Presently, the EOS of neutron-rich matter is still very uncertain mainly due to the poorly known density dependence of the nuclear symmetry energy especially at supra-saturation densities. Nevertheless, significant progress has been made recently in constraining the density dependence of the nuclear symmetry energy mostly at sub-saturation densities using terrestrial nuclear reactions. While there are still some uncertainties especially at supra-saturation densities, these constraints could provide useful information on the limits of the global properties of pulsars and the gravitational waves to be expected from them. Here we review our recent work on constraining properties of pulsars and gravitational radiation with data from terrestrial nuclear laboratories.

研究动机与目标

• 利用地面重离子反应实验数据约束中子丰富物质的状态方程（EOS）。
• 研究快速旋转对中子星结构、质量、半径及转动惯量的影响。
• 基于核物理约束，预测椭圆变形脉冲星的引力波应变与椭率上限。
• 建立核物理实验与天体物理可观测量（如脉冲星自转降速率与引力波辐射）之间的联系。
• 基于核数据设定模型无关的上限，为地面引力波探测器提供指导。

提出的方法

• 采用四种核子EOS模型（包括MDI），部分基于近期地面重离子实验对对称能的约束数据。
• 在广义相对论框架下求解Tolman-Oppenheimer-Volkoff方程，以模拟静态与旋转中子星结构。
• 利用慢速旋转近似与相对论旋转星理论，计算转动惯量与壳层分数。
• 应用引力波应变与椭率及旋转频率之间关系的理论框架，适用于慢速与快速旋转星体。
• 基于观测到的自转降速功率与EOS依赖的转动惯量，推导出引力波应变的上限。
• 在假设引力辐射是主导自转降速机制的前提下，计算特定脉冲星（如PSR B1937+21、J1748-2446ad）可能达到的最大椭率与应变振幅。

实验结果

研究问题

• RQ1 从地面重离子实验中获得的中子丰富物质状态方程（EOS）约束是什么？这些约束如何影响中子星的性质？
• RQ2 与非旋转模型相比，快速旋转如何改变中子星的最大质量、半径与转动惯量？
• RQ3 在核物理约束的EOS前提下，已知毫秒脉冲星的引力波应变与椭率上限是多少？
• RQ4 旋转如何影响中子星核心的质子分数与中心密度？这对冷却行为有何影响？
• RQ5 能否利用PSR B1937+21等脉冲星的自转降速率推断引力波辐射的上限？其对应的应变限制为何？

主要发现

• 基于其观测到的自转降速率，PSR B1937+21的最大引力波应变振幅 $h_0^{sd}$ 被约束在 $[2.24 - 2.61] \times 10^{-27}$ 范围内，对应 $1.4M_\odot$ 模型。
• PSR B1937+21的椭率上限为 $\epsilon^{sd} = [2.68 - 3.12] \times 10^{-9}$，该结果基于核EOS约束与自转降速数据推导得出。
• 对于距离在0.18–0.35 kpc范围内的毫秒脉冲星，最大应变振幅 $h_0$ 预测值为 $[0.4 - 1.5] \times 10^{-24}$，具体取决于EOS模型。
• 快速旋转使最大质量增加最多达17%，并导致半径变化数公里，表现为赤道半径增加而极半径减小。
• PSR J0737-3039A的转动惯量被约束在 $I = (1.30 - 1.63) \times 10^{45} \, \text{g cm}^2$ 范围内，其值强烈依赖于EOS与旋转频率。
• 旋转会降低核心的中心密度与质子分数，可能关闭毫秒脉冲星中的快速冷却通道，对热演化建模具有重要意义。