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Constraining the nuclear equation of state from nuclear physics and neutron star observations

Greif, Svenja Kim (2019):
Constraining the nuclear equation of state from nuclear physics and neutron star observations.
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt, DOI: 10.25534/tuprints-00009466,
[Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/9466],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Neutron stars are born when massive stars run out of their nuclear fuel and undergo gravitational collapse. Neutron stars belong to the most compact objects in the observable Universe. Macroscopic properties of neutron stars like their masses and radii are sensitive to the microscopic properties of the nuclear equation of state of dense matter. The equation of state is determined by the strong interaction among the constituents. The underlying theory is quantum chromodynamics that is, however, highly non-perturbative in the physics regime relevant for neutron stars. Moreover, neutron stars provide an interplay between nuclear physics and astrophysics. Astrophysical observations like the detection of 2 solar mass neutron stars have a major impact on the equation of state. Radii are, however, inherently difficult to measure due to systematic uncertainties. Other observables like the moment of inertia or the tidal deformability present promising alternatives. The double neutron star system PSR J0737-3039 constitutes an outstanding system as it provides the prospect of a moment of inertia measurement for the first time. A new era stated with the pioneering observation of gravitational waves from a binary neutron star merger. The analysis of the gravitational wave signal of GW170817 provides a range for the tidal deformability of typical neutron stars. Moreover, the current NICER mission will provide simultaneous mass-radius measurements.

In this thesis, we use state-of-the-art chiral effective field theory interactions to describe the equation of state at nuclear densities. In the high-density regime beyond nuclear saturation density, we use different extrapolation approaches. First, we utilize the established ansatz of piecewise polytropic equations of state which provides a direct parametrization. However, piecewise polytropic equations of state possess unphysical behavior such as discontinuities in the speed of sound. Second, we use a physically motivated parametrization of the speed of sound inside the neutron star from which we derive the equation of state. Both methods allow us to probe the equation of state over a large range of densities. We further impose general constraints on the equation of state such as the requirement of causality at all densities and the support of at least 2 solar mass neutron stars. From the equations of state compatible with the constraints, we determine diverse neutron star observables. We begin with non-rotating neutron stars and focus on their masses and radii. We study correlations among properties of the equation of state at nuclear densities and observables of typical neutron stars. Moreover, we explore the impact of hypothetical, simultaneous measurements of masses and radii of neutron stars on the equation of state. Applying both simple compatibility cuts and the framework of Bayesian statistics, we investigate the sensitivity of the inference on the chosen parametrization of the equation of state. We extend then our considerations to slowly rotating neutron stars and study the moment of inertia. Assuming hypothetical moment of inertia measurements, we determine constraints for the radius of neutron stars and thus the equation of state. In addition, we extend our considerations of isolated neutron stars to binary neutron star systems. In particular, we treat the tidal field of the companion as a small perturbation. This allows us to determine the tidal deformability. By applying higher orders in the metric perturbation, we calculate the quadrupole moment of neutron stars. Although the structure of neutron stars is sensitive to the equation of state, relations between the moment of inertia, the tidal deformability, and the quadrupole moment are remarkably insensitive. We investigate the properties of neutron stars in binary systems and ultimately confront the results of our models with the gravitational wave constraints from a binary neutron star merger.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2019
Creators: Greif, Svenja Kim
Title: Constraining the nuclear equation of state from nuclear physics and neutron star observations
Language: English
Abstract:

Neutron stars are born when massive stars run out of their nuclear fuel and undergo gravitational collapse. Neutron stars belong to the most compact objects in the observable Universe. Macroscopic properties of neutron stars like their masses and radii are sensitive to the microscopic properties of the nuclear equation of state of dense matter. The equation of state is determined by the strong interaction among the constituents. The underlying theory is quantum chromodynamics that is, however, highly non-perturbative in the physics regime relevant for neutron stars. Moreover, neutron stars provide an interplay between nuclear physics and astrophysics. Astrophysical observations like the detection of 2 solar mass neutron stars have a major impact on the equation of state. Radii are, however, inherently difficult to measure due to systematic uncertainties. Other observables like the moment of inertia or the tidal deformability present promising alternatives. The double neutron star system PSR J0737-3039 constitutes an outstanding system as it provides the prospect of a moment of inertia measurement for the first time. A new era stated with the pioneering observation of gravitational waves from a binary neutron star merger. The analysis of the gravitational wave signal of GW170817 provides a range for the tidal deformability of typical neutron stars. Moreover, the current NICER mission will provide simultaneous mass-radius measurements.

In this thesis, we use state-of-the-art chiral effective field theory interactions to describe the equation of state at nuclear densities. In the high-density regime beyond nuclear saturation density, we use different extrapolation approaches. First, we utilize the established ansatz of piecewise polytropic equations of state which provides a direct parametrization. However, piecewise polytropic equations of state possess unphysical behavior such as discontinuities in the speed of sound. Second, we use a physically motivated parametrization of the speed of sound inside the neutron star from which we derive the equation of state. Both methods allow us to probe the equation of state over a large range of densities. We further impose general constraints on the equation of state such as the requirement of causality at all densities and the support of at least 2 solar mass neutron stars. From the equations of state compatible with the constraints, we determine diverse neutron star observables. We begin with non-rotating neutron stars and focus on their masses and radii. We study correlations among properties of the equation of state at nuclear densities and observables of typical neutron stars. Moreover, we explore the impact of hypothetical, simultaneous measurements of masses and radii of neutron stars on the equation of state. Applying both simple compatibility cuts and the framework of Bayesian statistics, we investigate the sensitivity of the inference on the chosen parametrization of the equation of state. We extend then our considerations to slowly rotating neutron stars and study the moment of inertia. Assuming hypothetical moment of inertia measurements, we determine constraints for the radius of neutron stars and thus the equation of state. In addition, we extend our considerations of isolated neutron stars to binary neutron star systems. In particular, we treat the tidal field of the companion as a small perturbation. This allows us to determine the tidal deformability. By applying higher orders in the metric perturbation, we calculate the quadrupole moment of neutron stars. Although the structure of neutron stars is sensitive to the equation of state, relations between the moment of inertia, the tidal deformability, and the quadrupole moment are remarkably insensitive. We investigate the properties of neutron stars in binary systems and ultimately confront the results of our models with the gravitational wave constraints from a binary neutron star merger.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Theoretische Kernphysik
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Theoretische Kernphysik > Kernphysik und Nukleare Astrophysik
Date Deposited: 15 Dec 2019 20:55
DOI: 10.25534/tuprints-00009466
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/9466
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-94666
Referees: Schwenk, Prof. Ph.D Achim and Watts, Prof. Ph.D Anna L.
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 28 October 2019
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
Neutronensterne werden geboren, wenn massive Sterne keinen Kernbrennstoff mehr haben und aufgrund der Eigengravitation kollabieren. Sie gehören zu den massivsten Objekten im beobachtbaren Universum. Makroskopische Eigenschaften von Neutronensternen wie deren Massen und Radien sind sensitiv auf die mikroskopischen Eigenschaften der nuklearen Zustandsgleichung. Die Zustandsgleichung ist bestimmt durch die starke Wechselwirkung zwischen ihren Komponenten. Die zugrundeliegende Theorie ist die Quantenchromodynamik, welche stark nicht-perturbativ in dem für Neutronensterne relevanten physikalischen Bereich ist. Darüber hinaus bieten Neutronensterne ein Wechselspiel zwischen Kernphysik und Astrophysik. Astrophysikalische Beobachtungen wie die Detektion von 2-Sonnenmassen-Neutronensternen haben einen großen Einfluss auf die Zustandsgleichung. Radien sind jedoch aufgrund systematischer Unsicherheiten von Natur aus schwierig zu messen. Andere Eigenschaften wie das Trägheitsmoment oder die Deformierbarkeit aufgrund von Gezeitenkräften stellen vielversprechende Alternativen dar. Das Doppel-Neutronenstern System PSR J0737-3039 stellt ein herausragendes System dar, da es die Perspektive einer erstmaligen Trägheismomentmessung bietet. Eine neue Ära begann mit der bahnbrechenden Beobachtung von Gravitationswellen aus der Kollision zweier Neutronensterne. Die Analyse des Gravitationswellensignals von GW170817 liefert einen Bereich für die Deformierbarkeit durch Gezeitenkräfte typischer Neutronensterne. Darüber hinaus wird die aktuelle NICER Mission gleichzeitige Masse--Radius Messungen ermöglichen. In dieser Arbeit verwenden wir modernste Wechselwirkungen der chiralen effektiven Feldtheorie, um die Zustandsgleichung bei Kerndichten zu beschreiben. Im Bereich hoher Dichten jenseits der Kernsaturierungsdichte verwenden wir verschiedene Extrapolationsansäze. Zum einen verwenden wir den etablierten Ansatz von stückweise polytropen Zustandsgleichungen, welcher eine direkte Parametrisierung ermöglicht. Allerdings weisen stückweise polytrope Zustandsgleichungen ein unphysikalisches Verhalten wie beispielsweise Unstetigkeit der Schallgeschwindigkeit auf. Zum anderen verwenden wir eine physikalisch motivierte Parametrisierung der Schallgeschwindigkeit im Inneren des Neutronensterns, aus der wir die Zustandsgleichung ableiten. Beide Methoden ermöglichen es, die Zustandsgleichung über einen großen Bereich von Dichten zu untersuchen. Wir legen der Zustandsgleichung weiterhin allgemeine Einschränkungen wie beispielsweise die Forderung nach Kausalität bei allen Dichten und die Reproduktion von 2-Sonnenmassen-Neutronensternen auf. Von den Zustandsgleichungen, die mit den Einschränkungen kompatibel sind, bestimmen wir verschiedene Observablen von Neutronensternen. Wir beginnen mit nicht rotierenden Neutronensternen und konzentrieren uns auf deren Massen und Radien. Wir untersuchen Korrelationen zwischen den Eigenschaften der Zustandsgleichung bei nuklearen Dichten und Eigenschaften typischer Neutronensterne. Darüber hinaus untersuchen wir die Auswirkungen hypothetischer, simultaner Messungen von Massen und Radien von Neutronensternen auf die Zustandsgleichung. Mit einfachen Kompatibilitätsanalysen und der Bayesschen Statistik untersuchen wir die Sensitivität der Inferenz auf die gewählte Zustandsgleichung. Dann erweitern wir unsere Überlegungen auf langsam rotierende Neutronensterne und untersuchen das Trägheitsmoment. Unter der Annahme hypothetischer Trägheitsmomentmessungen ermitteln wir Einschränkungen für den Radius von Neutronensternen und damit für die Zustandsgleichung. Darüber hinaus weiten wir unsere Überlegungen zu isolierten Neutronensterne auf Neutronensterne in Doppelsternsystemen aus. Im Speziellen betrachten wir das Gezeitenfeld des Begleitsterns als kleine Störung. Auf diese Weise können wir die Deformierbarkeit aufgrund der Gezeitenkräfte bestimmen. Indem wir höhere Ordnungen in der Störung der Metrik betrachten, berechnen wir das Quadrupolmoment von Neutronensternen. Obwohl die Struktur von Neutronensternen sensitiv auf die Zustandsgleichung ist, sind Relationen zwischen dem Trägheitsmoment, der Deformierbarkeit aufgrund von Gezeitenkräften und das Quadrupolmoment bemerkenswert unsensitiv. Wir untersuchen die Eigenschaften von Neutronensternen in Doppelsternsystemen und konfrontieren schließlich die Ergebnisse unserer Modelle mit den Einschränkungen durch die Eigenschaften der Gravitationswellen, welche von der Kollision zweier Neutronensterne beobachtet wurden.German
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