[論文レビュー] Relativistic Studies of Close Neutron Star Binaries

Grant J. Mathews, Pedro Marronetti+1 more|ArXiv.org|Oct 21, 1997

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、一般相対性理論的場方程式を解くために共形平坦な空間3次元計量を用いた、3+1次元の一般相対論的流体力学的シミュレーションを、近接した中性子星連星系に対して実施している。主な発見として、相対論的圧縮と加熱、ほぼゼロのスピン緩和、ブラックホール形成、およびポストニュートン近似や弱場モデルが予測するよりも低周波数の軌道的接近が観測され、重力波検出に影響を及ぼす。

ABSTRACT

We discuss (3+1) dimensional general relativistic hydrodynamic simulations of close neutron star binary systems. The relativistic field equations are solved at each time slice with a spatial 3-metric chosen to be conformally flat. Against this solution the hydrodynamic variables and gravitational radiation are allowed to respond. We have studied four physical processes which occur as the stars approach merger. These include: 1) the relaxation to a hydrodynamic state of almost no spin; 2) relativistically driven compression, heating, and neutrino emission; 3) collapse to two black holes; and 4) orbit inspiral occurring at a lower frequency than previously expected. We give a brief account of the physical origin of these effects and an explanation of why they do not appear in models based upon, 1PN hydrodynamics, a weak field multipole expansion, a tidal analysis, or a rigidly corotating velocity field. The implication of these results for gravity wave detectors is also discussed.

研究の動機と目的

• 完全な一般相対論的流体力学を用いて、近接した中性子星連星系の最終段階の力学的挙動をモデル化すること。
• 合体に近づく過程における圧縮、加熱、ニュートリノ放出といった物理的過程を調査すること。
• ポストニュートン近似、弱場近似、剛体的同期モデルに基づく従来のモデルが、重要な相対論的効果を捉えられていない理由を理解すること。
• これらのシミュレーションが重力波検出に与える影響、特に波形と合体の特徴について探求すること。

提案手法

• 中性子星連星系の時間発展を、(3+1)次元の一般相対論的流体力学を用いてシミュレートすること。
• 各時間ステップで、アインシュタイン方程式を簡略化するため、共形平坦な空間3次元計量を用いて相対論的場方程式を解くこと。
• 流体力学的変数と重力波放射が、変化する時空幾何に動的に応答することを許容すること。
• スピン緩和、相対論的圧縮と加熱、ブラックホール崩壊、軌道的接近の4つの主要な物理的過程を通じて、系の進化を追跡すること。
• 1PN流体力学、弱場多極展開、潮汐解析、剛体的同期速度場の予測と比較すること。
• シミュレーション出力を用いて、このような系からの重力波の検出可能性を評価すること。

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を適用した場合、ポストニュートン近似や弱場近似を越えて、近接した中性子星連星系でどのような物理的過程が顕在化するか？
• RQ2 標準的なモデルが、スピン緩和や強化された圧縮といった観測された力学的挙動を再現できないのはなぜか？
• RQ3 相対論的シミュレーションにおける軌道的接近周波数は、1PNまたは弱場モデルの予測と比べてどのように異なるか？
• RQ4 ニュートリノ放出と加熱は、中性子星連星合体の最終段階においてどのような役割を果たすか？
• RQ5 シミュレートされた波形と合体の力学的挙動は、現在および将来の検出器による重力波の検出可能性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• シミュレーションでは、剛体的同期モデルの仮定とは対照的に、ほとんどスピンのない流体的状態への強い緩和が観測された。
• 相対論的圧縮により、顕著な加熱と強化されたニュートリノ放出が生じ、これは弱場または1PNの取り扱いには存在しない効果である。
• 一部のケースでは、系が直接二つのブラックホールに崩壊する現象が観測されたが、これは非相対論的またはポストニュートンモデルでは捉えられていない。
• 軌道的接近は、従来の予想よりも低周波数で発生しており、標準的なポストニュートン予測とは乖離している。
• これらの効果は一般相対性理論の完全な非線形性に起因し、潮汐解析や多極展開では記述できない。
• 結果として、中性子星合体からの信号を正確に同定するためには、重力波検出器がこれらの相対論的効果を考慮する必要があると示唆される。