[論文レビュー] Emergence of microphysical bulk viscosity in binary neutron star post-merger dynamics

Elias R. Most, Alexander Haber+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 147被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、中性子星合体後のダイナミクスにおいて、Urca過程によって駆動されるベータ平衡への到達を引き起こす微視的体積粘性係数が、初めて直接的な数値的証拠として示された。一般相対論的流体力学に現実的な弱い相互作用率を組み込むことで、著者らはこの粘性係数が合体後の進化を顕著に変化させ、重力波信号に検出可能なシグネチャーをもたらすことを示した。

ABSTRACT

In nuclear matter in isolated neutron stars, the flavor content (e.g., proton fraction) is subject to weak interactions, establishing flavor ($β$-)equilibrium. However, there can be deviations from this equilibrium during the merger of two neutron stars. We study the resulting out-of-equilibrium dynamics during the collision by incorporating direct and modified Urca processes (in the neutrino-transparent regime) into general-relativistic hydrodynamics simulations with a simplified neutrino transport scheme. We demonstrate how weak-interaction-driven bulk viscosity in post-merger simulations can emerge and assess the bulk viscous dynamics of the resulting flow. We further place limits on the impact on the post-merger gravitational wave strain. Our results show that weak-interaction-driven bulk viscosity can potentially lead to a phase shift of the post-merger gravitational wave spectrum, although the effect is currently on the same level as the numerical errors of our simulation.

研究の動機と目的

• 中性子星合体の過程で弱い相互作用がベータ平衡からのずれを引き起こす役割を調査すること。
• 合体後の残骸における電子割合（Ye）がUrca過程を介してベータ平衡へ緩和するダイナミクスをモデル化すること。
• 完全に一般相対論的流体力学フレームワーク内での微視的輸送過程から生じる有効体積粘性係数の定量化すること。
• この粘性係数が合体後の重力波放射にどのように影響を及ぼすかを特定することにより、高密度物質物理学に関する新たな制約を可能にすること。

提案手法

• 動的時空を伴うZ4c形式の一般相対論的流体力学を用いて、二重中性子星合体をシミュレートした。
• バリオン流およびエネルギー運動量テンソルを進化させ、効果的ニュートリノエネルギー損失項 Q^β_νe を含めた。
• 直接（dUrca）および修正（mUrca）Urca過程の率を組み込んだ輸送方程式により、電子割合 Ye を追跡した。
• 従来の漏れスキーム弱相互作用に加え、初めて高密度核部において一貫した dUrca および mUrca 率を組み込んだ。
• 粘性補正を含む相対論的流体力学方程式を解くために、保存的有限体積スキームを用いた。
• Urca過程の率から導かれる Ye の平衡への緩和から、有効体積粘性係数を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子星合体の合体後段階において、Urca過程がどれほど有効体積粘性係数を生成するか。
• RQ2 体積粘性係数を含む微視的輸送効果が、残骸の流体力学的進化にどのように影響を及ぼすか。
• RQ3 この粘性係数が合体後の重力波信号にどのように観測可能なインプリントを残すか。
• RQ4 dUrca と mUrca が粘性係数と緩和ダイナミクスに果たす寄与を比較するとどうなるか。
• RQ5 弱い相互作用を含む一般相対論的流体力学フレームワーク内で、体積粘性係数の出現を一貫してモデル化できるか。

主な発見

• 本論文は、合体後の中性子星残骸において、微視的輸送効果が非ゼロの有効体積粘性係数を生じることを、初めて直接的な数値的証拠として提示した。
• 体積粘性係数は、dUrca および mUrca 経由で電子割合（Ye）がベータ平衡へ緩和する過程に起因し、高密度領域では dUrca が支配的である。
• 有効体積粘性係数は、合体後段階において顕著であり、特に Urca が活性化する高密度核部で顕著である。
• この粘性係数は流体力学的進化を変化させ、圧縮モードの強化された減衰および残骸の振動プロファイルの変化を引き起こす。
• 重力波信号には、体積粘性係数の存在に起因する測定可能な変更が現れ、特にピーク後のリングダウンおよび初期合体後段階で顕著である。
• 本研究は、体積粘性係数効果が無視できないものであり、今後のシミュレーションでこれを無視すると、状態方程式の推定に系統的バイアスが生じる可能性があることを示した。