[论文解读] Nuclear Physics Multimessenger Astrophysics Constraints on the Neutron Star Equation of State: Adding NICER's PSR J0740+6620 Measurement

P. T. H. Pang, Ingo Tews+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 100被引用 137

一句话总结

本论文利用多信使框架重新审视中子星方程态的约束，结合了NICER对大质量脉冲星PSR J0740+6620的新半径测量结果、引力波数据（GW170817、GW190425）、千新星和伽马射电暴观测以及核理论。更新后的分析得出，在90%置信水平下，1.4倍太阳质量中子星的半径为11.94+0.76−0.87 km，并不支持向夸克物质的强一阶相变。

ABSTRACT

In the past few years, new observations of neutron stars (NSs) and NS mergers have provided a wealth of data that allow one to constrain the equation of state (EOS) of nuclear matter at densities above nuclear saturation density. However, most observations were based on NSs with masses of about 1.4 M⊙, probing densities up to ∼three to four times the nuclear saturation density. Even higher densities are probed inside massive NSs such as PSR J0740+6620. Very recently, new radio observations provided an update to the mass estimate for PSR J0740+6620, and X-ray observations by the NICER and XMM telescopes constrained its radius. Based on these new measurements, we revisit our previous nuclear physics multimessenger astrophysics constraints and derive updated constraints on the EOS describing the NS interior. By combining astrophysical observations of two radio pulsars, two NICER measurements, the two gravitational-wave detections GW170817 and GW190425, detailed modeling of the kilonova AT 2017gfo, and the gamma-ray burst GRB 170817A, we are able to estimate the radius of a typical 1.4 M⊙ NS to be 11.94-0.87+0.76 km at 90% confidence. Our analysis allows us to revisit the upper bound on the maximum mass of NSs and disfavors the presence of a strong first-order phase transition from nuclear matter to exotic forms of matter, such as quark matter, inside NSs.

研究动机与目标

• 利用最新的多信使观测结果，更新对中子星方程态的约束。
• 评估NICER对PSR J0740+6620半径的新测量结果对方程态及相变可能性的影响。
• 改进对最大中子星质量及GW190814为中子星-黑洞并合概率的估计。
• 评估PSR J0740+6620所探测的高密度方程态是否支持向奇异物质的一阶相变。

提出的方法

• 采用核物理多信使天体物理（NMMA）框架，将观测数据与方程态的理论建模相结合。
• 分析结合了GW170817和GW190425的引力波信号及其电磁对应体，包括千新星AT2017gfo和伽马射电暴GRB170817A。
• NICER对PSR J0740+6620的X射线脉冲轮廓建模提供了质量-半径约束，采用Riley等人（2021b）和Miller等人（2021b）的两个独立后验样本。
• 引入XMM-Newton的X射线数据以改善半径约束，并使用贝叶斯模型比较评估相变可能性。
• 框架在低密度区域采用有效场论的规范理论，并通过后验预测检验验证模型的一致性。
• 计算贝叶斯因子以评估一阶相变相对于平滑方程态的概率。

实验结果

研究问题

• RQ1 NICER对PSR J0740+6620半径测量的纳入，如何改进超核密度下中子星方程态的约束？
• RQ2 1.4倍太阳质量中子星的90%可信区间半径是多少？
• RQ3 PSR J0740+6620提供的大质量、高密度数据是否支持向夸克物质的一阶相变？
• RQ4 新数据如何影响GW190814起源于中子星-黑洞并合的概率？
• RQ5 NICER与XMM-Newton数据在多大程度上改善了对最大中子星质量的约束？

主要发现

• 在90%可信区间内，1.4倍太阳质量中子星的半径被约束为11.94+0.76−0.87 km，与先前预测高度一致。
• 由于半径测量存在10–20%的不确定性，NICER对PSR J0740+6620的测量仅对方程态半径估计产生微小偏移。
• 一阶相变的贝叶斯因子为0.29 ± 0.01（加入XMM数据后为0.23 ± 0.01），表明该相变不被支持，尽管尚未完全排除。
• 最大中子星质量被约束为2.15+0.15−0.12 M⊙，与先前估计相比无显著变化。
• 在引入NICER和NICER+XMM数据后，GW190814为中子星-黑洞并合的概率从19%降至6.3–15.2%，支持其起源于黑洞。
• 仅使用NICER数据时，结果与先前NMMA预测高度一致，验证了框架的可靠性；而XMM数据略微支持更刚性的方程态，但由于测量不确定性，影响较小。