超核密度下手征有效场论的天体物理直接检验

最近对中子星的引力波和 X 射线计时观测，为获取冷致密物质的物态方程（EoS）提供了前所未有的途径，其密度在地面实验中难以实现。与此同时，来自手征有效场论（$\chi$EFT）的带有可靠不确定性估计的 EoS 预测限制了我们的理论未知。在这项工作中，我们使用以 $\chi$EFT 为条件的中子星 EoS 的非参数表示来分析天体物理数据，以直接约束致密天体的基本物理属性。我们讨论了当在低密度处以 $\chi$EFT 为条件时，仅凭数据如何在高密度处约束 EoS。我们还展示了如何利用天体物理数据直接检验 $\chi$EFT 对直至两倍核饱和密度处 EoS 的预测，并估计这些预测可能失效的密度。我们发现，大质量脉冲星的存在、来自 GW170817 的引力波以及 NICER 对 PSR J0030+0451 的观测，在本文所用的量子蒙特卡洛（QMC）计算下，最多以 7 倍的因子支持 $\chi$EFT 对直至核饱和密度处 EoS 的预测，优于更不可知的分析。虽然使用 QMC 的 $\chi$EFT 预测与直至两倍核饱和密度处的引力波数据完全一致，但 NICER 观测表明 EoS 在核饱和密度处相对于这些预测变硬。此外，我们对 $\chi$EFT 开始失效的密度处的不确定性进行边际化，在结合大质量脉冲星和引力波（以及 NICER）数据时，将 $1.4\,M_\odot$ 中子星的半径约束为 $R_{1.4}=11.40^{+1.38}_{-1.04}$（$12.54^{+0.71}_{-0.63}$）km，将两倍核饱和密度处的压强约束为 $p(2n_\mathrm{sat})=14.2^{+18.1}_{-8.4}$（$28.7^{+15.3}_{-15.0}$）MeV/fm$^3$。