[论文解读] Radius and equation of state constraints from massive neutron stars and GW190814

Yeunhwan Lim, Anirban Bhattacharya+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 85被引用 31

一句话总结

本研究利用贝叶斯推断约束中子星方程态，结合低密度区的规范有效场论与高密度区的极致刚方程态。结果表明，为支持质量为2.5–2.7 M$_\odot$的中子星，需存在约 $ n_t \sim (2.39 - 2.95)n_0 $ 的相变密度，暗示在2.64$ n_0 $ 之后方程态显著软化；并显示大质量中子星的半径与最大质量强相关，从而推动未来对PSR J1614-2230和PSR J0740+6620的NICER观测。

ABSTRACT

Motivated by the unknown nature of the $2.50-2.67\,M_\odot$ compact object in the binary merger event GW190814, we study the maximum neutron star mass based on constraints from low-energy nuclear physics, neutron star tidal deformabilities from GW170817, and simultaneous mass-radius measurements of PSR J0030+045 from NICER. Our prior distribution is based on a combination of nuclear modeling valid in the vicinity of normal nuclear densities together with the assumption of a maximally stiff equation of state at high densities, a choice that enables us to probe the connection between observed heavy neutron stars and the transition density at which conventional nuclear physics models must break down. We demonstrate that a modification of the highly uncertain supra-saturation density equation of state beyond 2.64 times normal nuclear density is required in order for chiral effective field theory models to be consistent with current neutron star observations and the existence of $2.6\,M_\odot$ neutron stars. We also show that the existence of very massive neutron stars strongly impacts the radii of $\sim 2.0\,M_\odot$ neutron stars (but not necessarily the radii of $1.4\,M_\odot$ neutron stars), which further motivates future NICER radius measurements of PSR J1614-2230 and PSR J0740+6620.

研究动机与目标

• 确定基于规范有效场论的方程态支持质量为2.5–2.7 M$_\odot$中子星所需的最小相变密度。
• 评估大质量中子星的存在如何限制典型2.0 M$_\odot$中子星的半径。
• 在假设GW190814的伴星为中子星的前提下，约束核物质方程态在高密度区的行为。
• 确定传统核物理模型必须失效的临界密度。

提出的方法

• 利用低密度区的规范有效场论与高密度区的极致刚方程态（声速 = c）构建贝叶斯先验。
• 相变密度 $ n_t $ 在2$ n_0 $ 至4$ n_0 $ 之间赋予均匀先验，其中 $ n_0 = 0.16$ fm$^{-3} $。
• 使用PSR J0030+045的NICER质量-半径测量结果与GW170817的潮汐形变约束计算后验分布。
• 通过费米动量的泰勒展开参数化方程态，势能密度按 $ n^{(2+i/3)} $ 的幂次展开。
• 采用二阶相变模型描述从核物质到刚性相的转变，其中 $ \Delta E = E_1/10 $。
• 联合似然函数通过乘积形式结合NICER与LIGO/Virgo数据，假设统计独立性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于规范有效场论的方程态支持2.5–2.7 M$_\odot$中子星所需的最小相变密度 $ n_t $ 是多少？
• RQ2 大质量中子星的存在如何限制2.0 M$_\odot$中子星的半径？
• RQ3 哪些方程态被观测到2.6 M$_\odot$中子星所排除？
• RQ4 为支持如此大质量的恒星，传统核物理模型必须失效的临界密度是多少？
• RQ5 未来对PSR J1614-2230与PSR J0740+6620的NICER半径测量如何影响对高密度方程态的认识？

主要发现

• 为支持质量为2.5–2.7 M$_\odot$的中子星，需存在约 $ n_t \sim (2.39 - 2.95)n_0 $ 的相变密度，表明方程态在2.64$ n_0 $ 之后必须显著变硬。
• 2.6 M$_\odot$中子星的存在仅排除了半径小且潮汐形变小的最软方程态。
• 约2.0 M$_\odot$中子星的半径与最大中子星质量正相关，表明其可为超致密物质提供独特信息。
• 1.4 M$_\odot$中子星的中心密度低于相变密度，意味着其性质对高密度外推的敏感度较低。
• 未来对PSR J1614-2230与PSR J0740+6620的NICER半径测量强烈受支持，因其可进一步约束高密度方程态。
• 本研究表明，规范有效场论模型必须在2.64$ n_0 $ 之后进行修正，才能与当前中子星观测及2.6 M$_\odot$恒星的存在保持一致。