[논문 리뷰] Head-on collisions of Proca stars

N. Sanchis-Gual, Carlos Herdeiro외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 20.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 완전 비선형 수치 일반 상대성 이론을 통해 등질량 프로카 별의 정면 충돌과 궤도 합성을 연구하며, 밀도가 결과를 결정짓는다고 보여준다: 낮은 밀도의 별들은 안정된 잔여물을 형성하고, 높은 밀도의 별들은 일시적인 초질량 별을 만들어내며, 이는 블랙홀 주위에 준결합 상태의 프로카 상태를 둘러싸고 있으며, 파형과 준정상 진동이 시월드 블랙홀과 일치하지만, 작은 편차가 존재한다.

ABSTRACT

Proca stars are self-gravitating Bose-Einstein condensates obtained as numerical stationary solutions of the Einstein-(complex)-Proca system. These solitonic can be both stable and form dynamically from generic initial data by the mechanism of gravitational cooling. In this paper we further explore the dynamical properties of these solitonic objects by performing both head-on collisions and orbital mergers of equal mass Proca stars, using fully non-linear numerical evolutions. For the head-on collisions, we show that the end point and the gravitational waveform from these collisions depends on the compactness of the Proca star. Proca stars with sufficiently small compactness collide leaving a stable Proca star remnant. But more compact Proca stars collide to form a transient ${\it hypermassive}$ Proca star, which ends up decaying into a black hole, albeit temporarily surrounded by Proca quasi-bound states. The unstable intermediate stage can leave an imprint in the waveform, making it distinct from that of a head-on collision of black holes. The final quasi-normal ringing matches that of Schwarzschild black hole, even though small deviations may occur, as a signature of sufficiently non-linear and long-lived Proca quasi-bound states. For the orbital mergers, the outcome also depends on the compactness of the stars. For most compact stars, the binary merger forms a Kerr black hole which retains part of the initial orbital angular momentum, being surrounded by a transient Proca field remnant; in cases with lower compactness, the binary merger forms a massive Proca star with angular momentum, but out of equilibrium. As in previous studies of (scalar) boson stars, the angular momentum of such objects appears to converge to zero as a final equilibrium state is approached.

연구 동기 및 목표

• 완전 비선형 수치 상대성 이론을 사용하여 등질량 프로카 별의 정면 충돌과 궤도 합성의 동적 진화를 연구하기 위해.
• 프로카 별의 밀도가 충돌의 최종 상태와 중력파 서명에 어떻게 영향을 미치는지 규명하기 위해.
• 일시적인 초질량 프로카 별이 형성되고 블랙홀로 붕괴되는지, 그리고 그 과정에서 파형에 검출 가능한 인상을 남기는지 조사하기 위해.
• 이중 합성에서 각운동량의 역할을 검토하고, 도는 프로카 별이 각운동량이 0이 되는 평형 상태로 진화하는지 여부를 조사하기 위해.

제안 방법

• 정면 충돌과 궤도 합성을 시뮬레이션하기 위해 아인슈타인-(복소수)-프로카 시스템의 완전 비선형 수치 해를 구현하기 위해.
• 다양한 역학적 영역을 탐색하기 위해 초기 자료로 정적 프로카 별 해를 사용하고 밀도를 변화시켰다.
• 스칼라 장, 계량 및 잠정 시공간의 진화를 추적하여 블랙홀 형성과 준결합 상태 잔여물의 존재를 확인하기 위해.
• 스카워츠실드 블랙홀의 진동과 비교하기 위해 중력파 서명을 분석하고 표준 블랙홀 합성과의 편차를 탐지하기 위해.
• 합성 잔여물의 각운동량 진화를 모니터링하여 평형 상태로의 안정화 여부를 평가하기 위해.
• 결과를 분류하기 위해 밀도, 에너지 손실 및 장 프로파일 진화와 같은 수치 진단 도구를 사용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 프로카 별의 밀도는 정면 충돌의 결과에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 매우 밀도 높은 프로카 별의 충돌 과정에서 초질량 프로카 별이 형성되고, 그것이 블랙홀로 붕괴되는가?
• RQ3 프로카 별 충돌의 중력파 서명은 특히 라인다운 단계에서 블랙홀 합성과 어떻게 구별될 수 있는가?
• RQ4 이중 합성에서 프로카 별의 각운동량은 어떻게 변화하며, 최종 평형 상태에서 0으로 수렴하는가?
• RQ5 일시적인 프로카 준결합 상태는 중력파 신호에 측정 가능한 인상을 남기는가?

주요 결과

• 낮은 밀도의 프로카 별은 충돌하여 안정된 프로카 별 잔여물을 형성하며, 이러한 충돌에서의 역학적 안정성을 시사한다.
• 매우 밀도 높은 프로카 별은 충돌하여 일시적인 초질량 프로카 별을 만들어내며, 이후 블랙홀로 붕괴된다.
• 붕괴하는 초질량 상태는 일시적으로 프로카 준결합 상태로 둘러싸여 있으며, 이는 중력파 파형에 검출 가능한 인상을 남길 수 있다.
• 블랙홀 잔여물의 최종 준정상 진동은 시월드 블랙홀과 일치하지만, 장기적으로 지속되는 준결합 상태로 인해 약간의 편차가 존재할 수 있다.
• 밀도 높은 프로카 별의 궤도 합성은 블랙홀을 형성하며, 초기 궤도 각운동량의 일부를 유지하고 있으며, 임시적인 프로카 장 잔여물을 둘러싸고 있다.
• 낮은 밀도의 별들에서는 비평형 상태의 거대하고 도는 프로카 별이 형성되며, 시스템이 최종 평형 상태로 접근함에 따라 각운동량이 점차 0으로 수렴한다.