[论文解读] The millisecond pulsar mass distribution: Evidence for bimodality and constraints on the maximum neutron star mass

John Antoniadis, Thomas M. Tauris+4 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 15被引用 102

一句话总结

基于对 MSP 质量的贝叶斯分析，作者发现了一个强烈的双峰质量分布，并给出最大中子星质量的下限（M_max ≥ 2.018 M⊙，98% CL），这对中子星方程状态和未来调查有影响。

ABSTRACT

The mass function of neutron stars (NSs) contains information about the late evolution of massive stars, the supernova explosion mechanism, and the equation-of-state of cold, nuclear matter beyond the nuclear saturation density. A number of recent NS mass measurements in binary millisecond pulsar (MSP) systems increase the fraction of massive NSs (with $M > 1.8$ M$_{\odot}$) to $\sim 20\% $ of the observed population. In light of these results, we employ a Bayesian framework to revisit the MSP mass distribution. We find that a single Gaussian model does not sufficiently describe the observed population. We test alternative empirical models and infer that the MSP mass distribution is strongly asymmetric. The diversity in spin and orbital properties of high-mass NSs suggests that this is most likely not a result of the recycling process, but rather reflects differences in the NS birth masses. The asymmetry is best accounted for by a bimodal distribution with a low mass component centred at $1.393_{-0.029}^{+0.031}$ M$_{\odot}$ and dispersed by $0.064_{-0.025}^{+0.064}$ M$_{\odot}$, and a high-mass component with a mean of $1.807_{-0.132}^{+0.081}$ and a dispersion of $0.177_{-0.072}^{+0.115}$ M$_{\odot}$. We also establish a lower limit of $M_{max} \ge 2.018$ M$_{\odot}$ at 98% C.L. for the maximum NS mass, from the absence of a high-mass truncation in the observed masses. Using our inferred model, we find that the measurement of 350 MSP masses, expected after the conclusion of pulsar surveys with the Square-Kilometre Array, can result in a precise localization of a maximum mass up to 2.15 M$_{\odot}$, with a 5% accuracy. Finally, we identify possible massive NSs within the known pulsar population and discuss birth masses of MSPs.

研究动机与目标

• 评估更新的 MSP 质量测量中的固有质量分布。
• 测试单组件与多组件模型，以确定 MSP 质量的最佳表示。
• 推断中子星方程状态（EoS）与最大质量约束的意义。
• 预测未来调查（如 SKA）如何改进 M_max 的估计。

提出的方法

• 从异质测量（精确质量、总质量约束、以及质量比）计算 MSP 质量似然。
• 使用贝叶斯推断与 MCMC 采样比较经验质量分布模型（单高斯 vs 双峰高斯）。
• 使用 AICc 进行模型选择，以惩罚模型复杂度。
• 纳入截断质量 M_max 以约束高质量端。

实验结果

研究问题

• RQ1 MSP 质量分布是否更好由单一高斯描述，还是双峰（两高斯）模型？
• RQ2 首选 MSP 质量分布的参数（均值、分散、相对贡献）？
• RQ3 在现有数据下，MSP 质量分布是否允许对最大中子星质量 M_max 给出有意义的下限？
• RQ4 推断分布对中子星方程状态的影响，以及未来调查如何收紧 M_max 约束？

主要发现

• 数据偏好双峰 MSP 质量分布相较单一高斯，通过模型比较量化（AICc 偏好 Model II）。
• 最佳拟合的双峰模型有分量中心在 μ1 = 1.396 M⊙、σ1 = 0.045 M⊙，以及 μ2 = 1.807 M⊙、σ2 = 0.177 M⊙，相对权重 r = 0.425。
• 分离统计量 D 指出高质量分量很可能独立，D = 3.12^{+1.95}_{-1.61}，并且 73% 的样本的 D ≥ 2。
• 对最大 NS 质量存在稳健下限：M_max ≥ 2.018 M⊙，置信水平 98%（并且 ≥ 1.924 M⊙，99.98% CL）。
• 高质量尾部及当前 MSP 样本中不存在高质量截断，是支撑 M_max 约束的原因；未来 SKA 时代的样本（约 350 个 MSP）可将 M_max 定位于 ~2.15 M⊙，准确度约 5%。
• 分析考虑了替代的出生-吸积情景（Model III），但相较于双峰解释来解释观测到的 MSP 质量，这些在偏好度上较低。