[論文レビュー] Projecting the likely importance of weak-interaction-driven bulk viscosity in neutron star mergers

Elias R. Most, Steven P. Harris+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 146被引用数 94

ひとこと要約

本研究は、ウルカ過程に起因する弱い相互作用駆動型体粘性が中性子星合体の重力波信号に与える影響を予測する。非散乱の合体シミュレーションの後処理を用い、体粘性は遅い接近期には無視できるが、合体後の段階、特に高温・高密度領域では動的に顕著になる可能性があると判明した。比較的高い温度と密度の領域では、合体後の振動を減衰させ、波形を変化させる可能性があり、相対論的重イオン衝突における類似現象と照らし合わせて示唆されている。

ABSTRACT

In this work, we estimate how much bulk viscosity driven by Urca processes is likely to affect the gravitational wave signal of a neutron star coalescence. In the late inspiral, we show that bulk viscosity affects the binding energy at fourth post-Newtonian (PN) order. Even though this effect is enhanced by the square of the gravitational compactness, the coefficient of bulk viscosity is likely too small to lead to observable effects in the waveform during the late inspiral, when only considering the orbital motion itself. In the post-merger, however, the characteristic time-scales and spatial scales are different, potentially leading to the opposite conclusion. We post-process data from a state-of-the-art equal-mass binary neutron star merger simulation to estimate the effects of bulk viscosity (which was not included in the simulation itself). In that scenario, we find that bulk viscosity can reach high values in regions of the merger. We compute several estimates of how much it might directly affect the global dynamics of the considered merger scenario, and find that it could become significant. Even larger effects could arise in different merger scenarios or in simulations that include non-linear effects. This assessment is reinforced by a quantitative comparison with relativistic heavy-ion collisions where such effects have been explored extensively.

研究の動機と目的

• 中性子星合体に起因する重力波信号に、弱い相互作用駆動型体粘性が与える潜在的影響を評価すること。
• 高温・高密度の物質におけるウルカ過程に起因する体粘性が、合体後のダイナミクスと波形に与える影響を評価すること。
• 体粘性の他の散乱効果（例：せん断粘性）と比較しての相対的重みを定量化すること。
• 体粘性が高温・高密度核物質における非平衡状態の新しいプローブとして機能する可能性を探ること。
• 体粘性が合体残骸において動的に顕著になる条件を特定すること。

提案手法

• 最先端の非散乱等質量二重中性子星合体シミュレーションのデータを後処理し、体粘性の影響を推定する。
• 温度および密度依存性を重視した現象論的妥当な状態方程式（EoS）を用いて体粘性を計算する。
• 体粘性の有効逆レイノルズ数を推定し、非粘性ダイナミクスと比較した際の減衰効率の相対的寄与を評価する。
• 相対論的重イオン衝突における体粘性比と比較し、既に広く研究されている分野と照らし合わせる。
• 小振幅振動を仮定したサブ熱的領域における線形応答近似を用いて体粘性を評価する。
• 合体後の残骸における体粘性の空間的・時間的変化を分析し、ピークを示す領域および段階を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子星合体の遅い接近期において、弱い相互作用駆動型体粘性はどの程度顕著か？
• RQ2 合体後の進化において、体粘性が動的に関連する領域および段階はどこか？
• RQ3 体粘性が合体後の振動を顕著に減衰させ、重力波信号を変化させる可能性はあるか？
• RQ4 中性子星合体における体粘性比は、相対論的重イオン衝突におけるそれと比較してどうか？
• RQ5 非線形効果やバックリアクション効果が合体ダイナミクスにおける体粘性に与える潜在的影響は何か？

主な発見

• 体粘性は遅い接近期では無視できる。結合エネルギーへの影響は第四後ニュートン的項にまで限定され、重力波形に観測可能なインパルスを及ぼさない。
• 合体後の段階では、特に残骸の外側で膨張する部分において、高温・高密度領域で体粘性が非常に高い値（約10^11 Pa·s）に達する可能性がある。
• 体粘性の有効逆レイノルズ数は (3.0 ± 1.5) × 10⁻³ と推定され、非粘性ダイナミクスと比較して非無視可能な減衰寄与があることを示唆している。
• 中性子星合体における体粘性比は、相対論的重イオン衝突におけるそれと同等であり、非線形増幅の可能性と流れ構造への顕著な影響が示唆される。
• 低密度で外向きに移動する領域に顕著な体粘性が存在することは、初期の質量噴出および超高密度中性子星の寿命に影響を与える可能性がある。
• 非線形効果（例：体粘性加熱、温度依存性粘性）がさらにその影響を増幅させる可能性があり、合体後の振動減衰においてせん断粘性効果と同等の寄与を果たす可能性がある。