[論文レビュー] Simulating bulk viscosity in neutron stars. II. Evolution in spherical symmetry

Giovanni Camelio, Lorenzo Gavassino+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、新しい1次元一般相対論的流体力学コード hydro-bulk-1D を用いて、中性子星における体積粘性係数のモデルとして、多成分流体、Hiscock-Lindblom、Maxwell-Cattaneo の3つのモデルを比較した。小さな摂動および単一粒子分率系では、体積応力モデルは多成分流体をよく近似するが、反応による放射エネルギーが力学的支配的要因となり、正確なシミュレーションのためにはその取り込みが不可欠であることが判明した。

ABSTRACT

Out-of-equilibrium reactions between different particle species are the main processes contributing to bulk viscosity in neutron stars. In this work, we numerically compare three different approaches to the modeling of bulk viscosity: the multi-component fluid with reacting particle species and two bulk stress formalism based on the Müller-Israel-Stewart theory, namely the Hiscock-Lindblom and the Maxwell-Cattaneo models, whose flux-conservative formulation in radial gauge-polar slicing coordinates and spherical symmetry is derived in a companion paper. To our knowledge, this is the first time that a neutron star is simulated with the complete Hiscock-Lindblom model of bulk viscosity. We find that the Hiscock-Lindblom and Maxwell-Cattaneo models are good approximations of the multi-component fluid for small perturbations and when the non-equilibrium equation of state of the fluid depends on only one independent particle fraction. For more than one independent particle fraction and for large perturbations, the bulk stress approximation is still valid but less accurate. In addition, we include the energy loss due to the luminosity of the reactions in the bulk stress formulation. We find that the energy loss due to bulk viscosity has a larger effect on the dynamics than the bulk stress or the variation in particle composition per se. The new one-dimensional, general-relativistic hydrodynamic code developed for this work, hydro-bulk-1D, is publicly available.

研究の動機と目的

• 中性子星における体積粘性係数の3つのアプローチ（多成分流体、Hiscock-Lindblom、Maxwell-Cattaneo）を比較すること。
• 反応性の高い系や大きな摂動を含むさまざまな条件下で、体積応力近似（Müller-Israel-Stewart理論）の妥当性と正確性を評価すること。
• 球対称性において、Hiscock-Lindblomモデルの完全な実装を、中性子星のシミュレーションで初めて行ったこと。
• 体積応力形式における反応放射エネルギーの影響を検討すること。
• 体積粘性係数効果をシミュレートするための1次元一般相対論的流体力学コード hydro-bulk-1D を開発し、公開すること。

提案手法

• 体積粘性係数のフラックス保存型定式化を、径向座標系・極座標スライス座標系に適用した、新しい1次元一般相対論的流体力学コード hydro-bulk-1D を開発した。
• 球対称性において、Müller-Israel-Stewart形式に従い、Hiscock-LindblomモデルおよびMaxwell-Cattaneoモデルの両方を実装した。
• 多成分流体アプローチで、粒子種とその反応（直接的および修正型Urca反応）を追跡し、非平衡状態をモデル化した。
• 反応によるエネルギー損失を考慮し、初めて体積応力形式に反応放射エネルギーを組み込んだ。
• 付録Cで導出された相対論的線形化減衰時間式を用い、さまざまな領域における振動挙動を分析した。
• 既知の多成分流体と体積応力モデルの一致関係（Gavassino et al., 2021）を基準に、結果の妥当性を検証した。特に、凍結状態、準定常状態、中間状態の各領域で検証を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Hiscock-LindblomおよびMaxwell-Cattaneo体積応力モデルは、中性子星における反応性粒子種を有する多成分流体の力学的挙動をどの程度正確に再現できるか？
• RQ2 体積応力形式に反応放射エネルギーを組み込むことで、中性子星の全体的進化および温度分布にどのような影響が生じるか？
• RQ3 複数の独立した粒子分率が存在する場合、または大きな摂動が加わる場合、体積応力モデルの正確性はどのように低下するか？
• RQ4 球対称性において、Hiscock-Lindblomモデルを実装する際の数値的課題は、Maxwell-Cattaneoモデルと比較してどのような点に現れるか？
• RQ5 中性子星における体積粘性係数のシミュレーションにおいて、多成分流体アプローチが体積応力モデルを上回る利点を示す領域はどのようなものか？

主な発見

• Hiscock-LindblomおよびMaxwell-Cattaneoモデルは、小さな摂動および1つの独立粒子分率に依存する状態方程式の下では、多成分流体をよく近似する。
• 2つ以上の独立粒子分率が存在する系、または大きな摂動が加わる系では、体積応力近似は定性的には正しいが、緩和時間近似の破綻により定量的正確性が低下する。
• 体積応力形式に反応放射エネルギーを組み込むことで、体積応力そのものよりも大きな影響が生じ、温度低下と熱的平衡への遅延が生じる。
• 激しい非平衡状態における体積粘性係数の最大の効果は、間接的である：反応によるエネルギー損失により、流体は非平衡状態を長く維持でき、非平衡挙動が長引く。
• Hiscock-Lindblomモデルは、表面消滅量を含む源項に追加の微分が含まれるため、Maxwell-Cattaneoモデルに比べてより高い数値的ノイズを示す。
• 非平衡状態に強く駆動されたり、複数の化学種を含む系では、多成分流体アプローチがMüller-Israel-Stewartモデルよりもより強固で、数値的にも単純である。