Direct nonparametric multimessenger constraints on the equation of state of cold dense nuclear matter
Abstract: We utilize the now substantial amount of astrophysical observations of neutron stars (NSs), along with perturbative quantum chromodynamics (pQCD) calculations at high density, to directly constrain the NS equation of state (EOS). To this end, we construct nonparametric EOS priors by using Gaussian processes trained on 75 EOSs, which include models with either hadrons, hyperons, or quarks at high densities. We create a prior using the full EOS sample (model agnostic), and one prior for each EOS family to test model discrimination. We introduce a novel inference approach, which allows the simultaneous sampling of intrinsic and extrinsic parameters of binary NS mergers, as well as a nonparametric equation of state. We showcase this method in a Bayesian updating scheme by first performing a complete analysis of the binary NS merger event GW170817 with minimal assumptions, and sequentially adding information from x-ray and radio NS observations, along with pQCD calculations. Besides providing standard constraints, such as the pressure at twice nuclear saturation density $p(2\rho_\text{sat})=4.3{+0.6}_{-0.6}\,\times 10{34}\text{dyne/cm}{2}$, at $95\%$ confidence level, for the model agnostic prior, our methodology shows how the choice of EOS families used in conditioning changes the inferred astrophysical properties of the EOS, namely tidal deformability and maximum supported NS mass. We find hyperonic priors predicting higher tidal deformabilities for a $1.4M_\odot$ NS, and hadronic priors being preferred by the considered astrophysical data.
- F. Özel and P. Freire, Ann. Rev. Astron. Astrophys. 54, 401 (2016), arXiv:1603.02698 [astro-ph.HE] .
- J. Schaffner-Bielich, Compact Star Physics (Cambridge University Press, 2020).
- R. C. Tolman, Phys. Rev. 55, 364 (1939).
- J. R. Oppenheimer and G. M. Volkoff, Phys. Rev. 55, 374 (1939).
- L. Lindblom, Phys. Rev. D 97, 123019 (2018), arXiv:1804.04072 [astro-ph.HE] .
- L. Lindblom, Phys. Rev. D 82, 103011 (2010), arXiv:1009.0738 [astro-ph.HE] .
- L. Lindblom and N. M. Indik, Phys. Rev. D 86, 084003 (2012), arXiv:1207.3744 [astro-ph.HE] .
- L. Lindblom and N. M. Indik, Phys. Rev. D 89, 064003 (2014), [Erratum: Phys.Rev.D 93, 129903 (2016)], arXiv:1310.0803 [astro-ph.HE] .
- G. Raaijmakers et al., Astrophys. J. Lett. 893, L21 (2020), arXiv:1912.11031 [astro-ph.HE] .
- J.-L. Jiang, C. Ecker, and L. Rezzolla, Astrophys. J. 949, 11 (2023), arXiv:2211.00018 [gr-qc] .
- M. F. Carney, L. E. Wade, and B. S. Irwin, Phys. Rev. D 98, 063004 (2018), arXiv:1805.11217 [gr-qc] .
- P. Landry and R. Essick, Phys. Rev. D 99, 084049 (2019), arXiv:1811.12529 [gr-qc] .
- B. P. Abbott et al., Phys. Rev. D 93, 112004 (2016), [Addendum: Phys.Rev.D 97, 059901 (2018)], arXiv:1604.00439 [astro-ph.IM] .
- M. C. Miller et al., Astrophys. J. Lett. 887, L24 (2019), arXiv:1912.05705 [astro-ph.HE] .
- M. C. Miller et al., Astrophys. J. Lett. 918, L28 (2021), arXiv:2105.06979 [astro-ph.HE] .
- O. Komoltsev and A. Kurkela, Phys. Rev. Lett. 128, 202701 (2022), arXiv:2111.05350 [nucl-th] .
- R. Essick, P. Landry, and D. E. Holz, Phys. Rev. D 101, 063007 (2020), arXiv:1910.09740 [astro-ph.HE] .
- https://compose.obspm.fr.
- S. Typel, M. Oertel, and T. Klähn, Phys. Part. Nucl. 46, 633 (2015), arXiv:1307.5715 [astro-ph.SR] .
- S. Typel et al. (CompOSE Core Team), Eur. Phys. J. A 58, 221 (2022), arXiv:2203.03209 [astro-ph.HE] .
- B. D. Lackey and L. Wade, Phys. Rev. D 91, 043002 (2015), arXiv:1410.8866 [gr-qc] .
- B. Margalit and B. D. Metzger, Astrophys. J. Lett. 850, L19 (2017), arXiv:1710.05938 [astro-ph.HE] .
- L. Rezzolla, E. R. Most, and L. R. Weih, Astrophys. J. Lett. 852, L25 (2018), arXiv:1711.00314 [astro-ph.HE] .
- T. E. Riley, G. Raaijmakers, and A. L. Watts, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 478, 1093 (2018), arXiv:1804.09085 [astro-ph.HE] .
- I. Tews, J. Margueron, and S. Reddy, Phys. Rev. C 98, 045804 (2018), arXiv:1804.02783 [nucl-th] .
- M. Cierniak and D. Blaschke, European Physical Journal Special Topics 229, 3663 (2020), arXiv:2009.12353 [astro-ph.HE] .
- P. Landry, R. Essick, and K. Chatziioannou, Phys. Rev. D 101, 123007 (2020), arXiv:2003.04880 [astro-ph.HE] .
- B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. Lett. 121, 161101 (2018), arXiv:1805.11581 [gr-qc] .
- J. Antoniadis et al., Science 340, 6131 (2013), arXiv:1304.6875 [astro-ph.HE] .
- M. C. Miller, C. Chirenti, and F. K. Lamb, Astrophys. J. 888, 12 (2020), arXiv:1904.08907 [astro-ph.HE] .
- J. Alsing, H. O. Silva, and E. Berti, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 478, 1377 (2018), arXiv:1709.07889 [astro-ph.HE] .
- Y. Fujimoto, K. Fukushima, and K. Murase, Phys. Rev. D 98, 023019 (2018), arXiv:1711.06748 [nucl-th] .
- Y. Fujimoto, K. Fukushima, and K. Murase, Phys. Rev. D 101, 054016 (2020), arXiv:1903.03400 [nucl-th] .
- Y. Fujimoto, K. Fukushima, and K. Murase, JHEP 03 (2021), 273, arXiv:2101.08156 [nucl-th] .
- G. Ashton et al., Astrophys. J. Suppl. 241, 27 (2019), arXiv:1811.02042 [astro-ph.IM] .
- B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. Lett. 119, 161101 (2017a), arXiv:1710.05832 [gr-qc] .
- K. Yagi and N. Yunes, Class. Quant. Grav. 33, 13LT01 (2016), arXiv:1512.02639 [gr-qc] .
- K. Yagi and N. Yunes, Phys. Rept. 681, 1 (2017), arXiv:1608.02582 [gr-qc] .
- T. Hinderer, The Astrophysical Journal 677, 1216 (2008), arXiv:0711.2420 [astro-ph] .
- A. Goldstein et al., Astrophys. J. Lett. 848, L14 (2017), arXiv:1710.05446 [astro-ph.HE] .
- B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Astrophys. J. Lett. 892, L3 (2020a), arXiv:2001.01761 [astro-ph.HE] .
- R. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Astrophys. J. Lett. 896, L44 (2020b), arXiv:2006.12611 [astro-ph.HE] .
- https://www.gw-openscience.org/events/GW170817/.
- LIGO Scientific Collaboration, LIGO Algorithm Library - LALSuite, free software (GPL) (2018).
- K. Wette, SoftwareX 12, 100634 (2020).
- A. Taracchini et al., Phys. Rev. D 89, 061502 (2014), arXiv:1311.2544 [gr-qc] .
- T. E. Riley et al., Astrophys. J. Lett. 887, L21 (2019), arXiv:1912.05702 [astro-ph.HE] .
- The posteriors for PSR J0030+0451 and PSR J0740+6620 are available at https://zenodo.org/record/3473466 and https://zenodo.org/record/4670689, respectively.
- T. Gorda, O. Komoltsev, and A. Kurkela, Astrophys. J. 950, 107 (2023c), arXiv:2204.11877 [nucl-th] .
- M. Cacciari and N. Houdeau, JHEP 09 (2011), 039, arXiv:1105.5152 [hep-ph] .
- A python implementation of this likelihood construction can be found at https://zenodo.org/records/10592568.
- King’s College London, King’s Computational Research, Engineering and Technology Environment (CREATE) (2023).
- https://compose.obspm.fr/manual/.
- A. Akmal, V. R. Pandharipande, and D. G. Ravenhall, Phys. Rev. C 58, 1804 (1998), arXiv:nucl-th/9804027 .
- F. Douchin and P. Haensel, Astron. Astrophys. 380, 151 (2001), arXiv:astro-ph/0111092 .
- G. Baym, C. Pethick, and P. Sutherland, Astrophys. J. 170, 299 (1971).
- M. Baldo, I. Bombaci, and G. F. Burgio, Astron. Astrophys. 328, 274 (1997), arXiv:astro-ph/9707277 .
- I. Bombaci and D. Logoteta, Astron. Astrophys. 609, A128 (2018), arXiv:1805.11846 [astro-ph.HE] .
- T. Carreau, F. Gulminelli, and J. Margueron, Eur. Phys. J. A 55, 188 (2019), arXiv:1902.07032 [nucl-th] .
- S. Goriely, N. Chamel, and J. M. Pearson, Phys. Rev. C 82, 035804 (2010), arXiv:1009.3840 [nucl-th] .
- J. M. Pearson, N. Chamel, and A. Y. Potekhin, Phys. Rev. C 101, 015802 (2020), arXiv:2001.03876 [astro-ph.HE] .
- J. M. Pearson and N. Chamel, Phys. Rev. C 105, 015803 (2022).
- V. Allard and N. Chamel, Universe 7, 470 (2021), arXiv:2203.08778 [nucl-th] .
- S. Goriely, N. Chamel, and J. M. Pearson, Phys. Rev. C 88, 024308 (2013).
- L. Perot, N. Chamel, and A. Sourie, Phys. Rev. C 100, 035801 (2019), arXiv:1910.13202 [nucl-th] .
- A. Welker et al., Phys. Rev. Lett. 119, 192502 (2017).
- P. Danielewicz and J. Lee, Nucl. Phys. A 818, 36 (2009), arXiv:0807.3743 [nucl-th] .
- F. Gulminelli and A. R. Raduta, Phys. Rev. C 92, 055803 (2015), arXiv:1504.04493 [nucl-th] .
- B. K. Agrawal, S. Shlomo, and V. K. Au, Phys. Rev. C 72, 014310 (2005), arXiv:nucl-th/0505071 .
- H. Müther, M. Prakash, and T. L. Ainsworth, Phys. Lett. B 199, 469 (1987).
- J. Friedrich and P. G. Reinhard, Phys. Rev. C 33, 335 (1986).
- B. K. Agrawal, S. Shlomo, and V. K. Au, Phys. Rev. C 68, 031304 (2003), arXiv:nucl-th/0308042 .
- P. G. Reinhard and H. Flocard, Nucl. Phys. A 584, 467 (1995).
- E. Chabanat, Interactions effectives pour des conditions extrêmes d’isospin, Other thesis, Lyon U. (1995).
- L. Scurto, H. Pais, and F. Gulminelli, Phys. Rev. D 109, 103015 (2024), arXiv:2402.15548 [nucl-th] .
- V. Dexheimer and S. Schramm, Astrophys. J. 683, 943 (2008), arXiv:0802.1999 [astro-ph] .
- V. Dexheimer, R. Negreiros, and S. Schramm, Phys. Rev. C 92, 012801 (2015), arXiv:1503.07785 [astro-ph.HE] .
- T. Schürhoff, S. Schramm, and V. Dexheimer, Astrophys. J. Lett. 724, L74 (2010), arXiv:1008.0957 [astro-ph.SR] .
- V. Dexheimer, Publ. Astron. Soc. Austral. 34, E006 (2017), arXiv:1708.08342 [astro-ph.HE] .
- V. A. Dexheimer and S. Schramm, Phys. Rev. C 81, 045201 (2010), arXiv:0901.1748 [astro-ph.SR] .
- B. D. Lackey, M. Nayyar, and B. J. Owen, Phys. Rev. D 73, 024021 (2006), arXiv:astro-ph/0507312 .
- N. K. Glendenning and S. A. Moszkowski, Phys. Rev. Lett. 67, 2414 (1991).
- A. R. Raduta, M. Oertel, and A. Sedrakian, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 499, 914 (2020), arXiv:2008.00213 [nucl-th] .
- A. R. Raduta, Eur. Phys. J. A 58, 115 (2022), arXiv:2205.03177 [nucl-th] .
- N. Jokela, M. Järvinen, and J. Remes, JHEP 03 (2019), 041, arXiv:1809.07770 [hep-ph] .
- T. Ishii, M. Järvinen, and G. Nijs, JHEP 07 (2019), 003, arXiv:1903.06169 [hep-ph] .
- T. Kojo, G. Baym, and T. Hatsuda, Astrophys. J. 934, 46 (2022), arXiv:2111.11919 [astro-ph.HE] .
- M. Hempel and J. Schaffner-Bielich, Nucl. Phys. A 837, 210 (2010), arXiv:0911.4073 [nucl-th] .
- K. Otto, M. Oertel, and B.-J. Schaefer, Phys. Rev. D 101, 103021 (2020a), arXiv:1910.11929 [hep-ph] .
- K. Otto, M. Oertel, and B.-J. Schaefer, Eur. Phys. J. ST 229, 3629 (2020b), arXiv:2007.07394 [hep-ph] .
- R. S. Lynch et al., Astrophys. J. 859, 93 (2018), arXiv:1805.04951 [astro-ph.HE] .
- J. K. Swiggum et al., Astrophys. J. 944, 154 (2023), arXiv:2212.03926 [astro-ph.HE] .
- E. Fonseca, I. H. Stairs, and S. E. Thorsett, Astrophys. J. 787, 82 (2014), arXiv:1402.4836 [astro-ph.HE] .
- R. D. Ferdman et al., Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 443, 2183 (2014), arXiv:1406.5507 [astro-ph.SR] .
- A. D. Cameron et al., in 16th Marcel Grossmann Meeting on Recent Developments in Theoretical and Experimental General Relativity, Astrophysics and Relativistic Field Theories (2022) arXiv:2203.15995 [astro-ph.HE] .
- J. van Leeuwen et al., Astrophys. J. 798, 118 (2015), arXiv:1411.1518 [astro-ph.SR] .
- R. D. Ferdman et al., Nature 583, 211 (2020), arXiv:2007.04175 [astro-ph.HE] .
- J. M. Weisberg, D. J. Nice, and J. H. Taylor, Astrophys. J. 722, 1030 (2010), arXiv:1011.0718 [astro-ph.GA] .
- D. J. Reardon et al., Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 455, 1751 (2016), arXiv:1510.04434 [astro-ph.HE] .
- L. E. Kasian, Radio observations of two binary pulsars, Ph.D. thesis, University of British Columbia (2012).
- G. Desvignes et al. (EPTA), Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 458, 3341 (2016), arXiv:1602.08511 [astro-ph.HE] .
- M. Serylak et al., Astron. Astrophys. 665, A53 (2022), arXiv:2203.00607 [astro-ph.HE] .
- D. J. Reardon et al., Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 507, 2137 (2021), arXiv:2107.04609 [astro-ph.HE] .
- Z. Arzoumanian et al. (NANOGrav), Astrophys. J. Suppl. 235, 37 (2018), arXiv:1801.01837 [astro-ph.HE] .
- B. C. Andersen and S. M. Ransom, Astrophys. J. Lett. 863, L13 (2018), arXiv:1807.07900 [astro-ph.HE] .
- S. E. Thorsett and D. Chakrabarty, Astrophys. J. 512, 288 (1999), arXiv:astro-ph/9803260 .
- R. D. Ferdman et al., Astrophys. J. 711, 764 (2010), arXiv:1002.0514 [astro-ph.SR] .
- K. Liu et al., Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 499, 2276 (2020), arXiv:2009.12544 [astro-ph.HE] .
- W. W. Zhu et al., Astrophys. J. 881, 165 (2019), arXiv:1907.05046 [astro-ph.SR] .
- J. W. McKee et al., Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 499, 4082 (2020), arXiv:2009.12283 [astro-ph.HE] .
- M. Berezina et al., Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 470, 4421 (2017), arXiv:1706.06417 [astro-ph.HE] .
- Y. J. Guo et al., Astron. Astrophys. 654, A16 (2021), arXiv:2107.09474 [astro-ph.HE] .
- K. Stovall et al., Astrophys. J. 870, 74 (2019), arXiv:1809.05064 [astro-ph.HE] .
- D. Kandel and R. W. Romani, Astrophys. J. 942, 6 (2023), arXiv:2211.16990 [astro-ph.HE] .
- M. R. Kennedy et al., Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 512, 3001 (2022), arXiv:2202.05111 [astro-ph.HE] .
- C. J. Clark et al., Nature Astron. 7, 451 (2023), arXiv:2301.10995 [astro-ph.HE] .
- T. Shahbaz, M. Linares, and R. P. Breton, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 472, 4287 (2017), arXiv:1708.07355 [astro-ph.HE] .
- S. J. Swihart et al., Astrophys. J. 851, 31 (2017), arXiv:1711.02077 [astro-ph.HE] .
- J. Strader et al., Astrophys. J. 872, 42 (2019), arXiv:1812.04626 [astro-ph.HE] .
- C. J. Clark et al., Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 502, 915 (2021), arXiv:2007.14849 [astro-ph.HE] .
- E. C. Bellm et al., Astrophys. J. 816, 74 (2016), arXiv:1510.00721 [astro-ph.SR] .
- D. Nice, Iau proceedings (2003).
- V. Bhalerao, M. H. van Kerkwijk, and F. Harrison, Astrophys. J. 757, 10 (2012), arXiv:1207.0008 [astro-ph.SR] .
- D. Steeghs and P. G. Jonker, Astrophys. J. Lett. 669, L85 (2007), arXiv:0707.2067 [astro-ph] .
- T. Munoz-Darias, J. Casares, and I. G. Martinez-Pais, Astrophys. J. 635, 502 (2005), arXiv:astro-ph/0508547 .
- D. M. Gelino, J. A. Tomsick, and W. A. Heindl, in Proceedings of the American Astronomical Society Meeting, Vol. 201 (2002) p. 54.05.
- B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. X 9, 011001 (2019), arXiv:1805.11579 [gr-qc] .
- T. M. Tauris et al., Astrophys. J. 846, 170 (2017), arXiv:1706.09438 [astro-ph.HE] .
Paper Prompts
Sign up for free to create and run prompts on this paper using GPT-5.
Top Community Prompts
Collections
Sign up for free to add this paper to one or more collections.