[論文レビュー] Impact of bulk viscosity on the post-merger gravitational-wave signal from merging neutron stars

Michail Chabanov, Luciano Rezzolla|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、Müller-Israel-Stewart (MIS)形式を用いて体積粘性を含めた、最初の自己整合的な一般相対論的二重中性子星合体シミュレーションを提示する。その結果、大きな体積粘性は合体後の振動を減衰させ、極端な状況では重力波放射効率を最大15%まで低下させ、残渣構造や合体後スペクトルに顕著な影響を及ぼすことが判明した。特に、体積粘性が ≥0.5ζ₀ の場合に顕著である。

ABSTRACT

In the violent post-merger of binary neutron-star mergers strong oscillations are present that impact the emitted gravitational-wave (GW) signal. The frequencies, temperatures and densities involved in these oscillations allow for violations of the chemical equilibrium promoted by weak-interactions, thus leading to a nonzero bulk viscosity that can impact dynamics and GW signals. We present the first simulations of binary neutron-star mergers employing the self-consistent and second-order formulation of the equations of relativistic hydrodynamics for dissipative fluids proposed by Müller, Israel and Stewart. With the spirit of obtaining a first assessment of the impact of bulk viscosity on the structure and radiative efficiency of the merger remnant we adopt a simplified but realistic approach for the viscosity, which we assume to be determined by direct and modified Urca reactions and hence to vary within the stars. At the same time, to compensate for the lack of a precise knowledge about the strength of bulk viscosity, we explore the possible behaviours by considering three different scenarios of low, medium, and high bulk viscosity. In this way, we find that large values of the bulk viscosities damp the collision-and-bounce oscillations that characterize the dynamics of the stellar cores right after the merger. At the same time, large viscosities tend to preserve the $m=2$ deformations in the remnant, thus leading to a comparatively more efficient GW emission and to changes in the post-merger spectrum that can be up to $100\,{ m Hz}$ in the case of the most extreme configurations. Overall, our self-consistent results indicate that bulk viscosity increases the energy radiated in GWs soon after the merger by $\lesssim 2\%$ in the (realistic) scenario of small viscosity, and by $\lesssim 30\%$ in the (unrealistic) scenario of large viscosity.

研究の動機と目的

• 二重中性子星合体からの合体後重力波信号に体積粘性が与える影響を評価すること。
• 弱い化学平衡の破れに起因する体積粘性が、合体残渣のダイナミクスと放射効率を顕著に変化させるかどうかを調査すること。
• 自己整合的な流体力学フレームワーク内で極端な粘性状況を探索することで、体積粘性に起因するエネルギー損失の厳密な上限を提示すること。
• 体積粘性がハイパーマス中性子星残渣の構造、変形、回転にどのように影響を与えるかを定量化すること。また、その重力波放射に与える影響を評価すること。

提案手法

• 体積粘性を自己整合的にモデル化するため、相対論的散乱流体の2次精度で因果的な Müller-Israel-Stewart (MIS) 形式を採用した。
• 体積粘性圧の時間発展を表す Maxwell-Cattaneo 型方程式を用いた：τu^μ∇_μΠ = -ζΘ - Π ここでΠは粘性圧、τは緩和時間、ζは体積粘性係数、Θは流体の拡張率を表す。
• 中性子星内では体積粘性係数ζを一定と仮定し、ζ ∈ {0.0, 0.2, 0.5, 1.0}ζ₀ とし、ζ₀ = 10³⁰ g cm⁻¹ s⁻¹ を基準スケールとした。
• HARM3Dコードを用いて、MISフレームワークを組み込んだ、完全な一般相対論的流体力学的シミュレーションを実施した。
• 重力波放射、残渣の角運動量、質量および角運動量損失、合体後パワー密度スペクトル（PSD）を追跡し、放射効率およびスペクトル変化を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 体積粘性は、二重中性子星合体における合体後核の振動をどのように減衰させるか？
• RQ2 体積粘性は、合体後段階における重力波エネルギー放射をどの程度まで減少させるか？
• RQ3 体積粘性は、ハイパーマス中性子星残渣の構造および回転特性をどのように変化させるか？
• RQ4 特にf₁, f₂, f₃周波数に注目した場合、体積粘性は合体後重力波スペクトルにどのような影響を与えるか？
• RQ5 体積粘性は、残渣の角運動量と質量の普遍的関係に顕著な影響を与える可能性があるか、特に状態方程式（EOS）推定の文脈でどうか？

主な発見

• 大きな体積粘性（≥0.5ζ₀）は、合体直後の星核の衝突・反発振動を強く減衰させ、準軸対称状態への早期安定化を促進する。
• 残渣のm=2変形が顕著に減少し、極端な粘性状況では重力波放射効率が最大15%まで低下する。
• 粘性のある残渣では、非粘性の場合に比べて核の回転が速く、回転エネルギーが高いため、合体後パワー密度スペクトルにおけるf₂周波数が系統的に大きくなる。
• ハイパーマス中性子星崩壊後に形成されるブラックホールの角運動量は、粘性残渣に起因する回転エネルギーの増加により最大約5%まで増加する。
• 現実的な状況（ζ ≲ 0.2ζ₀）では、重力波エネルギー損失は1%未満にとどまるため、妥当な条件下では影響が弱い。
• 本研究では、体積粘性によるエネルギー損失の厳密な上限を確立し、ζ ≥ 0.5ζ₀ の配置でのみ、合体後重力波信号に測定可能なずれが生じることを示した。