[論文レビュー] A New Moment-Based General-Relativistic Neutrino-Radiation Transport Code: Methods and First Applications to Neutron Star Mergers

David Radice, Sebastiano Bernuzzi+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 136被引用数 135

ひとこと要約

本稿では、中性子星合体シミュレーションにおいて、初めて全非線形ドップラー効果と中性子体との結合を含む、新しいモーメントベースの一般相対論的中性子ビーム輸送コード、THC_M1を提案する。これにより、全中性子ビーム輸送を伴う、安定的で長期間（最大70 ms）の3次元一般相対論的シミュレーションが可能となり、ディスクからの中性子ビーム照射が等方的噴出物の電子数分率を高めることを明らかにしたが、核合成産物は従来の手法と比較して僅かにしか変化しなかった。

ABSTRACT

We present a new moment-based energy-integrated neutrino transport code for neutron star merger simulations in general relativity. In the merger context, ours is the first code to include Doppler effects at all orders in $\upsilon/c$, retaining all nonlinear neutrino-matter coupling terms. The code is validated with a stringent series of tests. We show that the inclusion of full neutrino-matter coupling terms is necessary to correctly capture the trapping of neutrinos in relativistically moving media, such as in differentially rotating merger remnants. We perform preliminary simulations proving the robustness of the scheme in simulating ab-initio mergers to black hole collapse and long-term neutron star remnants up to ${\sim}70\,$ms. The latter is the longest dynamical spacetime, 3D, general relativistic simulations with full neutrino transport to date. We compare results obtained at different resolutions and using two different closures for the moment scheme. We do not find evidences of significant out-of-thermodynamic equilibrium effects, such as bulk viscosity, on the postmerger dynamics or gravitational wave emission. Neutrino luminosities and average energies are in good agreement with theory expectations and previous simulations by other groups using similar schemes. We compare dynamical and early wind ejecta properties obtained with M1 and with our older neutrino treatment. We find that the M1 results have systematically larger proton fractions. However, the differences in the nucleosynthesis yields are modest. This work sets the basis for future detailed studies spanning a wider set of neutrino reactions, binaries and equations of state.

研究の動機と目的

• 一般相対論において非線形ドップラーシフトと全中性子ビーム-物質結合を正確に捉えるモーメントベースの中性子ビーム輸送スキームの開発。
• 中性子星合体後の長期間（最大70 ms）にわたる、全中性子ビーム輸送を伴うシミュレーションを初めて実施。
• 中性子ビーム輸送が合体後ダイナミクス、重力波放射、および核合成産物に与える影響の評価。
• 新しいM1スキームと従来のM0+漏れおよびM1スキームの結果を比較し、電子数分率および核合成産物における差異の評価。

提案手法

• コードは、一般相対論におけるエネルギー積分済みボルツマン方程式を解くためにモーメントベースの手法を採用し、𝑣/𝑐におけるすべての非線形項を保持する。
• 全中性子ビーム-物質結合項を含み、微分回転する合体残骸のような相対論的運動する媒体における中性子ビームトラッピングの正確なモデル化を可能にする。
• モーメント系に閉じ込め関係を用い、THC（中性子ビームを伴う相対論的流体力学）コードフレームワークに実装されている。
• 妥当性確認のため、2種類の閉じ込め関係（M1およびM0+漏れ）と複数の解像度を用いてシミュレーションを実施し、安定性と収束性を検証した。
• ショックチューブ問題および球対称問題を含む、きびしい一連のテストを通じてコードの妥当性を検証した。
• 理論的期待値および先行シミュレーションと比較して、中性子ビームの全放射度および平均エネルギーを計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全中性子ビーム-物質結合およびドップラー効果を含めることで、標準的な漏れ法またはM0スキームと比較して、中性子星合体残骸のダイナミクスが顕著に変化するか？
• RQ2 バルク粘性などの非平衡効果が、合体後振動および重力波放射にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ3 中心残骸および降着ディスクからの中性子ビーム照射が、動的および準安定的噴出物の電子数分率および組成にどのように影響を与えるか？
• RQ4 中性子ビーム輸送が、特にr過程元素の核合成産物に与える影響は何か？
• RQ5 新しいM1スキームの結果は、M0+漏れスキームおよびSXS共同研究の結果と定量的にどの程度一致するか？

主な発見

• 新しいコードは、これまでで最も長期間（70 ms）にわたる3次元一般相対論的全中性子ビーム輸送シミュレーションを成功裏に実行した。
• 微分回転する合体残骸における中性子ビームトラッピングを正しくモデル化するには、全中性子ビーム-物質結合が不可欠であり、これは標準的な漏れスキームでは捉えられない。
• M1スキームにこのような項を含えても、合体後振動の減衰に寄与するバルク粘性やその他の非平衡効果の顕著な証拠は得られなかった。
• 中性子ビームの全放射度および平均エネルギーは、理論的期待値および先行シミュレーションと良好に一致しており、M1結果はSXSデータと一致し、M0+漏れは電子フレーバー中性子ビームの放射度を最大2倍まで過剰に推定していた。
• M1スキームはM0+漏れよりも系統的に高い電子数分率（Ye ≈ 0.4–0.55）を噴出物に予測したが、再処理のため核合成産物への影響は僅かであった。
• ディスクからの中性子ビーム照射が、等方的噴出物の電子数分率を高め、エネルギー依存の吸収断面積に起因する視線角依存のキロノバ光曲線を引き起こした。