[논문 리뷰] Compact Dark Objects in Neutron Star Mergers

Andreas Bauswein, Gang Guo외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 22.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 83인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 이진 중성성 병합 잔여물 내에 궤도를 도는 밀도가 높은 어둠성 물질(DM) 천체로부터 지속적인 중력파(GW) 방출을 조사한다. 3차원 상대론적 시뮬레이션과 시험 입자 근사법을 사용하여, 0.01–0.1 M⊙ 범위의 DM 핵이 수초에서 수년에 이르는 지속 시간 동안 kHz 수준의 주파수를 가진 GW 신호를 생성할 수 있음을 보여주며, 이는 DM 질량이 충분히 클 경우에만 감지 가능하다. 주파수는 중성성의 비율과 병합 후 유체의 GW 진동 모드에 비례한다.

ABSTRACT

We estimate the long-lasting gravitational wave (GW) emission of compact dark objects following a binary neutron-star (NS) merger. We consider compact dark objects, which initially reside in the centers of NSs and which may consist of self-interacting dark matter (DM). By approximating the compact dark objects as test particles, we model the merging of NS binaries hosting DM components with three-dimensional relativistic simulations. Our simulation results suggest that the DM components remain gravitationally bound and orbit inside the merger remnant with orbital separations of typically a few km. The subsequent orbital motion of the DM components generates a GW signal with frequencies in the range of a few kHz. When considering a range of different binary masses and high-density equations of state (EoS), we find that the GW frequency of the orbiting DM components scales with the compactness of NSs. Similarly, we find relations between the DM GW frequency and the dominant postmerger GW frequency of the stellar fluid or the tidal deformability, which quantifies EoS effects during the binary inspiral. Hence, a measurement of these quantities can be used to specify the frequency range of the GW emission by DM. Under the assumption that GW back reaction is the only relevant dissipative process, the GW signal may last between seconds and years depending on the mass of the DM component. We estimate the detectability of the GW signals and find that DM components in NS mergers may only be detectable with existing and projected GW instruments if the dark objects are as massive as about 0.01 to 0.1 M_sun. We emphasize that the GW emission is limited by the lifetime of the remnant. A forming black hole will immediately swallow the DM objects because their orbits are smaller than the innermost stable circular orbit of the black hole.

연구 동기 및 목표

• 이진 중성성 병합 이후 생성된 밀도가 높은 어둠성 물질 천체에서 장기적인 중력파 방출 가능성 탐색.
• 상대론적 유체역학과 시험 입자 근사를 사용하여 병합 잔여물 내 어둠성 물질 핵의 궤도 역학 모델링.
• 현재 및 향후 중력파 관측소에서 이러한 GW 신호의 감지 가능성 평가.
• 궤도를 도는 DM의 GW 주파수와 중성성의 밀도, 조임성, 병합 후 유체의 GW 진동 모드와 같은 관측 가능한 성질 간의 척도 관계 수립.
• 잔여물이 블랙홀로 붕괴하여 방출이 종료되기 전까지 GW 신호의 수명 주기 분석.

제안 방법

• 어둠성 물질를 시험 입자로 간주하고, 3차원 상대론적 유체역학을 사용하여 밀도가 높은 어둠성 물질 핵이 있는 이중 중성성 병합 시뮬레이션.
• 구형 대칭 비균일 매질 내 궤도 역학을 모델링하기 위해 효과적 질량 근사 μ(R) = M_DM / M(R)를 사용.
• 중력과 GW의 반작용에 기인한 비원형 궤도를 기술하기 위해 궤도 운동 방정식 d²u/dθ² + u = (1/L²)(4πρM²_DM)/u³를 풀며, 여기서 u = 1/R이다.
• 매 궤도당 GW 에너지와 운동량 손실을 계산하기 위해 2차 모멘트 공식을 적용하고, 시간에 따라 궤도 파arameter를 반복 갱신.
• 누적 손실이 初기 에너지의 1%를 초과할 때까지 매 N₀ 개의 주기마다 에너지와 운동량 손실을 재계산하여 시스템을 수많은 궤도 동안 진화시킴.
• 원형 궤도와 비원형 궤도 간의 GW 진폭과 주파수를 비교하여 방출 효율 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성성 병합 잔여물 내 밀도가 높은 어둠성 물질 천체가 장기적인 중력파 신호를 생성할 수 있는가?
• RQ2 궤도를 도는 어둠성 물질 핵으로부터 방출되는 중력파의 주파수와 지속 시간은 무엇인가?
• RQ3 어둠성 물질 성분의 GW 주파수는 중성성의 비율과 병합 후 유체 진동에 어떻게 비례하는가?
• RQ4 기존 및 향후 중력파 탐지기에서 이러한 GW 신호의 감지 임계값은 무엇인가?
• RQ5 원형 궤도와 비교할 때 궤도 이심률은 GW 방출 효율에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 0.01–0.1 M⊙ 범위의 궤도를 도는 어둠성 물질 핵이 수kHz 수준의 주파수를 가진 중력파 신호를 생성한다.
• 어둠성 물질 성분의 GW 주파수는 중성성의 비율에 비례하며, 이는 상태 방정식에 대한 간접적 제약 조건을 제공한다.
• DM의 GW 주파수와 주요 병합 후 유체의 GW 주파수 사이에 상관관계가 발견되었으며, 이는 유도 진동의 비율과도 관련된다.
• GW의 방출 지속 시간은 어둠성 물질 질량에 따라 수초에서 수년에 이르며, GW의 반작용이 주요 소산 메커니즘이라고 가정할 경우 성립한다.
• 비원형 궤도에서는 더 낮은 질량을 둘러싸고 있어 원형 궤도에 비해 GW 방출 효율이 떨어지며, 이로 인해 진폭이 2–3배 작아진다.
• 잔여물의 수명이 GW 방출을 제한하며, 블랙홀 형성이 발생하면 궤도 반경이 가장 안정한 원형 궤도 이내에 있어 어둠성 물질 천체가 즉각적으로 삼켜지기 때문이다.