Contents
1 Astrophysical Constraints on Dense Matter in Neutron Stars .. . . . . . . . .
1
M. Coleman Miller
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.2 Expectations from Nuclear Theory . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.2.1 The Basics: Dense Matter and Neutron Stars . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.2.2 Models of Matter at High Densities . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
1.2.3 Construction of Neutron Star Models
from Microphysics .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1.3 Constraints on Mass from Binary Observations... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.1 Newtonian Observations of Binaries . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.2 Post-Keplerian Measurements of Pulsar Binaries . . . . . . . . . . 11
1.3.3 Dynamically Estimated Neutron Star Masses
and Future Prospects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4 Constraints on Radius, and Other Mass Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.1 Thermonuclear X-ray Bursts . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.2 Fits of Thermal Spectra to Cooling Neutron Stars . . . . . . . . . 18
1.4.3 Modeling of Waveforms . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.4.4 Maximum Spin Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4.5 Kilohertz QPOs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.4.6 Other Methods to Determine the Radius and Future
Prospects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.5 Cooling of Neutron Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.5.1 The URCA Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.5.2 Additional Neutrino Production Channels
and Suppression .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.5.3 Photon Luminosity and the Minimal Cooling Model . . . . . . 31
1.5.4 Observations and Systematic Errors . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.5.5 Current Status and Future Prospects . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.6 Gravitational Waves from Coalescing Binaries . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.7 Summary .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
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1 Astrophysical Constraints on Dense Matter in Neutron Stars .. . . . . . . . .
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M. Coleman Miller
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.2 Expectations from Nuclear Theory . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.2.1 The Basics: Dense Matter and Neutron Stars . . . . . . . . . . . . . . .
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1.2.2 Models of Matter at High Densities . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.2.3 Construction of Neutron Star Models
from Microphysics .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.3 Constraints on Mass from Binary Observations... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.1 Newtonian Observations of Binaries . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.2 Post-Keplerian Measurements of Pulsar Binaries . . . . . . . . . . 11
1.3.3 Dynamically Estimated Neutron Star Masses
and Future Prospects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4 Constraints on Radius, and Other Mass Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.1 Thermonuclear X-ray Bursts . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.2 Fits of Thermal Spectra to Cooling Neutron Stars . . . . . . . . . 18
1.4.3 Modeling of Waveforms . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.4.4 Maximum Spin Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4.5 Kilohertz QPOs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.4.6 Other Methods to Determine the Radius and Future
Prospects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.5 Cooling of Neutron Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.5.1 The URCA Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.5.2 Additional Neutrino Production Channels
and Suppression .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.5.3 Photon Luminosity and the Minimal Cooling Model . . . . . . 31
1.5.4 Observations and Systematic Errors . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.5.5 Current Status and Future Prospects . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.6 Gravitational Waves from Coalescing Binaries . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.7 Summary .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
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