혼합상 하이브리드 별의 최대 질량과 PSR J1614 2230 관측의 의미

초록

PSR J1614 2230의 2 태양질량 관측은 연성 EOS를 가진 별 모델을 강하게 제한한다. 본 논문은 상대론적 평균장 이론으로 기술한 하이퍼온을 포함한 핵물질과 MIT 백 모델을 이용한 쿼크 물질 사이의 혼합상을 글렌든 건설법으로 연결한 하이브리드 별을 연구한다. 밀도 의존성 백 상수를 도입하지 않으면 혼합상 하이브리드 별은 2 M⊙에 도달하지 못한다는 결론에 도달한다. 밀도 의존성 백 상수를 적용하면 혼합상 영역이 얇아지면서 최대 질량이 2.01 M⊙에 이른다.

상세 분석

이 연구는 최근 측정된 PSR J1614 2230의 질량이 약 2 태양질량이라는 사실이 고밀도 물질의 상태 방정식(EOS)에 가하는 제약을 정량적으로 평가한다는 점에서 의미가 크다. 저자는 먼저 하이퍼온을 포함한 핵물질 EOS를 상대론적 평균장 이론(RMF)으로 설정한다. 여기서 사용된 매개변수 집합은 일반적으로 사용되는 GM1 또는 TM1과 유사하며, 핵 포화밀도 이하에서는 실험 데이터와 일치하지만 고밀도 영역에서는 강직성을 크게 감소시켜 하이퍼온 등장으로 인한 연성을 반영한다.

쿼크 물질은 가장 단순한 형태의 MIT 백 모델을 채택했으며, 자유 에너지 밀도는 베그 상수(B)와 자유 쿼크의 페르미 운동에너지로 구성된다. 저자는 기본적인 상수값 B^{1/4}=180 MeV와 질량 없는 u, d 쿼크, 그리고 질량 150 MeV인 s 쿼크를 가정한다. 이 경우 순수 쿼크 별은 최대 질량이 1.6 M⊙ 이하로, 관측된 2 M⊙ 한계에 미치지 못한다.

핵-쿼크 전이 영역은 글렌든 건설법을 이용해 두 상이 기계적·전기적 평형을 동시에 만족하도록 혼합상을 만든다. 이 방법은 전하 중립성을 전역적으로 만족시키면서 각 상의 부피 비율을 밀도에 따라 연속적으로 변화시킨다. 결과적으로 압력-밀도 곡선은 전통적인 Maxwell 전이보다 부드럽게 이어지며, 중간 밀도 구간에서 혼합상이 존재한다.

핵-쿼크 전이와 혼합상 구성을 고정한 채로 토르스트-오프만 방정식을 적분하면, 혼합상 하이브리드 별의 질량-반지름 관계가 도출된다. 저자는 이 모델에서 최대 질량이 약 1.78 M⊙에 머물러 PSR J1614 2230의 질량을 만족시키지 못함을 확인한다. 이는 기존의 고정된 백 상수값이 혼합상 영역을 과도하게 확대시켜 전체 강직성을 감소시키기 때문이다.

이를 해결하기 위해 저자는 백 상수를 밀도 의존적으로 설정한다. 구체적으로 B(ρ)=B₀ exp