[論文レビュー] Head-on collisions of Proca stars

N. Sanchis-Gual, Carlos Herdeiro+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2018

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、完全非線形数値相対性理論を用いて、等質量のProca星の正面衝突および軌道合体を調査し、コンパクトネスが結果を決定づけることを示している。低コンパクトネスの星は安定した残渣を形成するが、高コンパクトネスの星は一時的な超質量星を形成し、その後ブラックホールに崩壊する。その際、ブラックホールは準束縛状態のProca状態を周囲み、波形と準正規振動がシュバルツシルトブラックホールと一致するが、わずかなずれが残る。

ABSTRACT

Proca stars are self-gravitating Bose-Einstein condensates obtained as numerical stationary solutions of the Einstein-(complex)-Proca system. These solitonic can be both stable and form dynamically from generic initial data by the mechanism of gravitational cooling. In this paper we further explore the dynamical properties of these solitonic objects by performing both head-on collisions and orbital mergers of equal mass Proca stars, using fully non-linear numerical evolutions. For the head-on collisions, we show that the end point and the gravitational waveform from these collisions depends on the compactness of the Proca star. Proca stars with sufficiently small compactness collide leaving a stable Proca star remnant. But more compact Proca stars collide to form a transient ${\it hypermassive}$ Proca star, which ends up decaying into a black hole, albeit temporarily surrounded by Proca quasi-bound states. The unstable intermediate stage can leave an imprint in the waveform, making it distinct from that of a head-on collision of black holes. The final quasi-normal ringing matches that of Schwarzschild black hole, even though small deviations may occur, as a signature of sufficiently non-linear and long-lived Proca quasi-bound states. For the orbital mergers, the outcome also depends on the compactness of the stars. For most compact stars, the binary merger forms a Kerr black hole which retains part of the initial orbital angular momentum, being surrounded by a transient Proca field remnant; in cases with lower compactness, the binary merger forms a massive Proca star with angular momentum, but out of equilibrium. As in previous studies of (scalar) boson stars, the angular momentum of such objects appears to converge to zero as a final equilibrium state is approached.

研究の動機と目的

• 完全非線形数値相対性理論を用いて、Proca星の正面衝突および軌道合体における動的進化を研究すること。
• Proca星のコンパクトネスが衝突の最終状態および重力波形に与える影響を特定すること。
• 一時的な超質量Proca星が形成され、ブラックホールに崩壊するかどうかを調査すること。また、その際に波形に検出可能な痕跡が残るかどうかを検討すること。
• 2進系合体における角運動量の役割を検討し、回転するProca星が最終的に角運動量がゼロとなる平衡状態へと進化するかどうかを調べること。

提案手法

• 等質量Proca星の正面衝突および軌道合体をシミュレートするため、アインシュタイン-(複素)Proca系の完全非線形数値発展を実施する。
• 初期データとして定常Proca星解を用い、コンパクトネスを変化させてさまざまな力学的領域を探索する。
• スカラー場、計量、および顕著な視界の進化を追跡し、ブラックホール形成および準束縛状態の残渣を特定する。
• 重力波形の解析により、シュバルツシルトブラックホールの振動と比較し、標準的ブラックホール合体からのずれを検出する。
• 合体残渣における角運動量の進化をモニタリングし、平衡状態への緩和を評価する。
• コンパクトネス、エネルギー損失、場のプロファイルの進化といった数値診断を用いて、結果を分類する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Proca星のコンパクトネスは、正面衝突の結果にどのように影響するか？
• RQ2 高コンパクトネスのProca星の衝突において、一時的な超質量Proca星が形成され、ブラックホールに崩壊するか？
• RQ3 Proca星衝突の重力波形は、特にリングダウン段階において、ブラックホール合体の波形と区別できるか？
• RQ4 2進系Proca星の合体において角運動量はどのように変化し、最終的な平衡状態でゼロに収束するか？
• RQ5 一時的なProca準束縛状態は、重力波信号に測定可能な痕跡を残すか？

主な発見

• 低コンパクトネスのProca星は衝突により安定したProca星残渣を形成し、このような衝突において動的安定性が示された。
• 高コンパクトネスのProca星は衝突し、一時的な超質量Proca星を形成し、その後ブラックホールに崩壊する。
• 崩壊する超質量状態は一時的にProca準束縛状態に囲まれており、これが重力波形に検出可能なインプリントを残す可能性がある。
• ブラックホール残渣の最終的な準正規振動はシュバルツシルトブラックホールと一致するが、長寿命の準束縛状態の影響によりわずかなずれが残る可能性がある。
• コンパクトなProca星の軌道合体は、初期の軌道的角運動量の一部を保持するカー・ブラックホールを形成し、その周囲に一時的なProca場の残渣が存在する。
• やや非コンパクトな星では、非平衡状態の質量的で回転するProca星が形成され、系が最終的な平衡状態に近づくにつれて角運動量は徐々にゼロに収束する。