[論文レビュー] Resolving the fastest ejecta from binary Neutron Star mergers: implications for electromagnetic counterparts

Coleman Dean, Rodrigo Fernández+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 81被引用数 19

ひとこと要約

本研究は、2次元軸対称モデルを用いたグリッドベースの流体ダイナミクスシミュレーションにおいて、二重中性子星合体の高速噴出物（>0.6c）の空間分解能依存性を調査する。共回転フレーム、自己重力、重力波損失を含む。高速噴出物質量は20 m分解能で10%以内に収束することが判明し、既存のグリッドベースのシミュレーションはすでに収束に近い状態にあり、SPHシミュレーションで観測されるより高い噴出物質量を生じる可能性は低い。これは、差異が分解能の不足によるものではなく、物理的要因や数値手法の違いに起因する可能性を示唆する。

ABSTRACT

We examine the effect of spatial resolution on initial mass ejection in grid-based hydrodynamic simulations of binary neutron star mergers. The subset of the dynamical ejecta with velocities greater than $\sim 0.6$c can generate an ultraviolet precursor to the kilonova on $\sim$hr timescales and contribute to a years-long non-thermal afterglow. Previous work has found differing amounts of this fast ejecta, by one- to two orders of magnitude, when using particle-based or grid-based hydrodynamic methods. Here we carry out a numerical experiment that models the merger as an axisymmetric collision in a co-rotating frame, accounting for Newtonian self-gravity, inertial forces, and gravitational wave losses. The lower computational cost allows us to reach spatial resolutions as high as $4$m, or $\sim 3 imes 10^{-4}$ of the stellar radius. We find that fast ejecta production converges to within $10\%$ for a cell size of $20$m. This suggests that fast ejecta quantities found in existing grid-based merger simulations are unlikely to increase to the level needed to match particle-based results upon further resolution increases. The resulting neutron-powered precursors are in principle detectable out to distances $\lesssim 200$Mpc with upcoming facilities. We also find that head-on collisions at the free-fall speed, relevant for eccentric mergers, yield fast and slow ejecta quantities of order $10^{-2}M_\odot$, with a kilonova signature distinct from that of quasi-circular mergers.

研究の動機と目的

• グリッドベースの流体ダイナミクスシミュレーションにおける二重中性子星合体の高速噴出物（>0.6c）生成に、空間分解能がどのように影響するかを評価すること。
• グリッドコードと粒子ベース（SPH）シミュレーションとの間で観測される高速噴出物質量の差異が、グリッドコードにおける分解能不足に起因するかどうかを特定すること。
• 特に紫外線プリカーソルと非熱的後光の観点から、高速噴出物の電磁気的インパクトを探索すること。
• 楕円運動の合体シナリオにおける噴出物産出量を評価するため、自由落下速度での正面衝突をモデル化すること。

提案手法

• 計算コストを削減するため、共回転フレームで2次元軸対称流体ダイナミクスモデルを用いる。
• ニュートン近似による自己重力、慣性力、および重力波駆動による軌道減衰の近似処置を組み込む。
• 従来の3次元グリッドシミュレーションよりもはるかに細かい、4 m（中性子星半径の約3×10⁻⁴）の高空間分解能を実現する。
• セルサイズを4 mから560 mに変化させた数値実験を実施し、高速噴出物質量の分解能収束をテストする。
• 分解能依存性を評価するため、先行する3次元シミュレーション（例：Radice et al. 2018）およびSPH結果（例：Bauswein et al. 2013）と比較する。
• FLASHコードを用い、メッシュの適応的細分化を行い、0.6c以上の速度を持つ噴出物の質量と運動エネルギーを追跡する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グリッドベースのシミュレーションにおける空間分解能の向上が、二重中性子星合体の高速噴出物（>0.6c）の予測質量を顕著に増加させるか？
• RQ2 グリッドベースとSPHシミュレーションとの間で観測される高速噴出物質量の差異が、グリッドコードにおける分解能不足に起因するか？
• RQ3 高分解能ダイナミクスを伴う合体からの高速噴出物の電磁的特徴（特に紫外線プリカーソルと非熱的後光）は何か？
• RQ4 自由落下速度での正面衝突と準円形合体とでは、噴出物質量と速度にどのような差が生じるか？
• RQ5 次元削減と近似された重力波損失が、高速噴出物の分解能収束にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• 高速噴出物質量は空間分解能20 mで10%以内に収束しており、既存のグリッドベースのシミュレーションはすでに分解能収束に近づいていることを示している。
• 質量1.4 M⊙の二つの中性子星を有するベースラインモデルでは、高速噴出物が約10⁻⁵ M⊙生成され、セルサイズが140倍の範囲で変動しても最大で約2倍の変動にとどまる。
• グリッドベースとSPHシミュレーションとの間で観測される高速噴出物質量の差異は、さらなる分解能向上によって解消される可能性は低く、数値手法や物理的取り扱いの根本的な違いに起因する可能性を示唆する。
• 自由落下速度での正面衝突は、高速および低速の両方の噴出物を約10⁻² M⊙分だけ放出し、準円形合体とは異なるキロノバの特徴を示す。
• 高速噴出物の運動エネルギーについても、質量と同様に分解能依存性を示しており、非熱的後光の予測にはより高分解能の3次元シミュレーションが必要であることを示唆する。
• モデルは状態方程式や合体二重星総質量に応じた噴出物質量の一般的な傾向を再現しているが、質量比に伴う非単調な挙動は、次元削減と簡略化されたGW損失の影響により、完全な3次元シミュレーションとは異なる。