[論文レビュー] Gravitational Waves and Hydromagnetic Instabilities in Rotating Magnetized Neutron Stars

P. D. Lasky, Burkhard Zink+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2012

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 7被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、非線形一般相対論的磁気力学流体ダイナミクス（GRMHD）シミュレーションを用いて、回転する磁化中性子星における磁場不安定性および重力波放射を調査する。fモードによる重力波は、現在の観測所では検出不能であるが、特に減衰時間が長いAlfvén波は有望な候補であると判明し、歪みは質量の二乗および半径の五乗に比例する。

ABSTRACT

We perform nonlinear general relativistic ideal magnetohydrodynamic simulations of poloidal magnetic fields in rotating polytropic neutron stars. We have three primary goals: i) to understand the nature of magnetohydrodynamic instabilities inherent to poloidal magnetic fields in non-rotating and rotating neutron stars, ii) to explore the possible space of stable equilibrium configurations and iii) to understand gravitational wave emissions caused by the catastrophic reconfiguration of magnetic fields associated with giant magnetar flares. Our key physical contributions can be summarized as follows: i) gravitational waves from f-modes caused by magnetar flares are unlikely to be detected in the current or near-future generation of gravitational waves observatories, ii) gravitational waves from Alfven waves propagating inside the neutron star are more likely candidates, although this interpretation relies on the unknown damping time of these modes, iii) any magnetic field equilibria derived from our simulations are characterized as non-axisymmetric, with approximately 65% of their magnetic energy in the poloidal field, iv) rotation acts to separate the timescales of different instabilities in our system, with the varicose mode playing a more major role due to a delayed kink instability and v) despite the slowing growth rate of the kink mode, it is always present in our simulations, even for models where the rotational period is of the same order as the Alfven timescale.

研究の動機と目的

• 一般相対性理論下での回転および非回転の中性子星における多極磁場の磁気力学的不安定性を理解すること。
• 特に非軸対称平衡配置の磁場の安定な平衡状態の空間を探索すること。
• 巨大磁星フレアを模倣した災難的磁場再配置からの重力波放射を評価すること。
• 回転および複数の多相状態方程式を含めたことで、従来の重力波検出可能性に関する結果を拡張すること。
• 減衰時間および星のパラメータの役割を強調しつつ、Alfvén波およびfモードの検出可能性を評価すること。

提案手法

• ホライズンコードを用いて、回転する多相状態中性子星における3次元非線形一般相対論的理想磁気力学流体（GRMHD）シミュレーションを実施する。
• 初期に多極磁場を設定し、不安定性の成長および磁場再配置を研究するために系を進化させる。
• 質量-半径関係を調査するために、Γ = 1.67 から Γ = 2.46 の範囲の多相状態方程式を用いる。
• 特にfモードおよびAlfvén波を対象に、振動モードからの歪み振幅を計算することで重力波放射を分析する。
• 重力波歪みの解析的式（式18および式20）を導出し、磁場、質量、半径、距離に依存するスケーリングを示す。
• 現在および将来の検出器の感度曲線と信号振幅を比較することで検出可能性を評価し、特にエインシュタイン望遠鏡を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転する磁化中性子星に多極磁場が存在する場合、支配的な磁気力学的不安定性は何か？
• RQ2 回転は、中性子星磁場におけるキック不安定性および変形不安定性の時間スケールおよび成長率にどのように影響するか？
• RQ3 巨大磁星フレアを模倣した磁場再配置に続くfモード振動からの重力波歪み振幅は何か？
• RQ4 Alfvén波信号の検出可能性は、その減衰時間および星のパラメータにどのように依存するか？
• RQ5 現実的な中性子星モデルにおける重力波歪みの質量、半径、磁場強度とのスケーリング関係は何か？

主な発見

• 磁星フレアに類似した再配置によって励起されるfモードからの重力波は、現在または近い将来の重力波観測所では検出され unlikely である。
• Alfvén波放射は、特に減衰時間が1秒を超える場合、検出のより有望な候補である。信号振幅は信号持続時間の平方根に比例するためである。
• 重力波歪み振幅は、中性子星の半径の五乗および質量の二乗にほぼ比例し、極磁場強度に強く依存する。
• すべてのシミュレートされた平衡状態は非軸対称であり、約65％の磁場エネルギーが多極成分に存在しており、純粋な多極磁場が本質的に不安定であることを示唆している。
• 回転はキック不安定性の発生を遅らせるが、抑制はしない。回転およびAlfvénの時間スケールが同等であっても、キックモードは依然として活性である。
• キックモードの成長が遅れるため、変形モードが不安定性の進化を支配する。これは、回転が不安定性の時間スケールを分離する役割を果たしていることを強調している。