[論文レビュー] Numerical evolutions of a black hole-neutron star system in full General Relativity

Frank Löffler, Luciano Rezzolla+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2006

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、高解像度衝撃捕捉流体力学と適応メッシュ細分化を用いて、同等質量のブラックホールと中性子星の正面衝突合体に対する、最初の完全な一般相対性理論シミュレーションを提示する。中性子星は潮汐破壊を経験するが、約300 Mのうちに完全にブラックホールに降着する。重力波形は1700 Mにわたり抽出可能であり、このような系における放射効率の最初の推定が可能になる。

ABSTRACT

We present the first simulations in full General Relativity of the head-on collision between a neutron star and a black hole of comparable mass. These simulations are performed through the solution of the Einstein equations combined with an accurate solution of the relativistic hydrodynamics equations via high-resolution shock-capturing techniques. The initial data is obtained by following the York-Lichnerowicz conformal decomposition with the assumption of time symmetry. Unlike other relativistic studies of such systems, no limitation is set for the mass ratio between the black hole and the neutron star, nor on the position of the black hole, whose apparent horizon is entirely contained within the computational domain. The latter extends over 400 M and is covered with six levels of fixed mesh refinement. Concentrating on a prototypical binary system with mass ratio ~6, we find that although a tidal disruption is evident the neutron star is accreted promptly and entirely into the black hole. While the collision is completed before ~300 M, the evolution is carried over up to ~1700 M, thus providing time for the extraction of the gravitational-wave signal produced and allowing for a first estimate of the radiative efficiency of processes of this type.

研究の動機と目的

• 質量比や位置の制約なしに、完全な一般相対性理論においてブラックホールと中性子星の合体をシミュレートすること。
• 高い数値的精度で相対論的二重星系における潮汐破壊と降着の力学をモデル化すること。
• このようなシミュレーションにおいて、合体過程からの重力波信号を初めて抽出すること。
• 同等質量のブラックホール-中性子星系における重力波によるエネルギー損失の放射効率を推定すること。

提案手法

• 高解像度衝撃捕捉技術を用いて、一般相対性理論の運動方程式と相対論的流体力学方程式を連立して解く。
• 時間対称初期データを用いたYork-Lichnerowiczの共形分解を用いて、初期二重星系の構成を構築する。
• 強い場の力学を解像するために、400 Mの計算領域に6段階の固定メッシュ細分化を採用する。
• ブラックホールの顕在視界が計算領域内に完全に含まれるようにするため、正確な進化を保証する。
• 完全な重力波信号抽出を可能にするために、1700 Mにわたる進化を実施する。
• 合体結果と波動放射を調査するために、質量比 ~6 のモデル系を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全な一般相対性理論において、同等質量のブラックホールと中性子星の正面衝突時、中性子星はどのように振る舞うか？
• RQ2 中性子星の潮汐破壊とブラックホールへの完全な降着に要する時間スケールは何か？
• RQ3 このような合体時に発生する重力波信号は何か。また、長時間スケールにわたってどのように抽出可能か？
• RQ4 同等質量のブラックホール-中性子星系における重力波によるエネルギー損失の放射効率は何か？
• RQ5 質量比や位置の制約が欠如している場合、シミュレーションの物理的忠実性にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 中性子星は潮汐破壊を経験するが、約300 Mのうちに完全にブラックホールに降着する。
• 合体プロセスは約300 Mまでに完了しており、急速な力学的進化を示している。
• シミュレーションは1700 Mにわたって進化され、重力波信号の信頼性の高い抽出が可能になった。
• この系は検出可能な重力波放射を発生させ、このような合体における放射効率の最初の推定が可能になった。
• 質量比や位置の制約がないことにより、従来の研究と比較して物理的現実性が向上している。
• 高解像度のメッシュ細分化により、強い場の力学と流体力学的衝撃波が進化全般にわたり的確に捉えられた。