[논문 리뷰] Relativistic neutron star merger simulations with non-zero temperature equations of state I. Variation of binary parameters and equation of state

R. Oechslin, Hans‐Thomas Janka외 1명|ArXiv.org|2006. 11. 02.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 52인용 수 108

한 줄 요약

이 연구는 일반 상대성 이론의 동형 평탄성 근사와 스무딩된 입자 유체역학을 사용하여 비제로 온도 상태방정식(EoS)을 갖는 상대론적 중성자별 병합 시뮬레이션을 수행한다. 이는 바이너리 파라미터와 EoS를 체계적으로 변화시켜, 더 연약한 EoS는 즉각적인 후기 블랙홀 형성을 유도하는 반면, 더 딱딱한 EoS는 장수명 토르스를 유지함을 발견하였다. 비대칭 시스템에서는 토르스 질량이 최대 0.3 M⊙에 이르며, 온도는 3–10 MeV이고, 약 10⁻³–10⁻² M⊙의 비결속 물질이 탈출된다.

ABSTRACT

An extended set of binary neutron star (NS) merger simulations is performed with an approximative conformally flat treatment of general relativity to systematically investigate the influence of the nuclear equation of state (EoS), the neutron star masses, and the NS spin states prior to merging. We employ the two non-zero temperature EoSs of Shen et al. (1998a,b) and Lattimer & Swesty (1991). In addition, we use the cold EoS of Akmal et al. (1998) with a simple ideal-gas-like extension according to Shibata & Taniguchi (2006), and an ideal-gas EoS with parameters fitted to the supernuclear part of the Shen-EoS. We estimate the mass sitting in a dilute high-angular momentum ``torus'' around the future black hole (BH). The dynamics and outcome of the models is found to depend strongly on the EoS and on the binary parameters. Larger torus masses are found for asymmetric systems (up to ~0.3 M_sun for a mass ratio of 0.55), for large initial NSs, and for a NS spin state which corresponds to a larger total angular momentum. We find that the postmerger remnant collapses either immediately or after a short time when employing the soft EoS of Lattimer& Swesty, whereas no sign of post-merging collapse is found within tens of dynamical timescales for all other EoSs used. The typical temperatures in the torus are found to be about 3-10 MeV depending on the strength of the shear motion at the collision interface between the NSs and thus depending on the initial NS spins. About 10^{-3}-10^{-2} M_sun of NS matter become gravitationally unbound during or right after the merging process. This matter consists of a hot/high-entropy component from the collision interface and (only in case of asymmetric systems) of a cool/low-entropy component from the spiral arm tips. (abridged)

연구 동기 및 목표

• 핵 상태방정식(EoS), 중성자별 질량, 스핀 상태가 병합 동역학과 결과에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 특히 비제로 온도 변형을 포함한 다양한 EoS가 후기 병합 진화, 블랙홀 형성 및 토르스 질량에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 비결속 물질과 잔류 블랙홀 주변의 순환 토르스의 질량 및 열적 성질을 정량화하기 위해.
• 다양한 바이너리 조건과 EoS 하에서 토르스 매개변수를 추정함으로써, 단기 감마선 폭발 모델의 초기 조건을 제공하기 위해.

제안 방법

• 중성자별 병합에서 강한 중력장을 모델링하기 위해 일반 상대성 이론의 동형 평탄성 근사를 사용한다.
• 중성자별 물질의 상대론적 유체역학을 시뮬레이션하기 위해 스무딩된 입자 유체역학(SPH)을 적용한다.
• 네 가지 비제로 온도 EoS를 적용: Shen 등 (1998a,b), Lattimer & Swesty (1991), 그리고 냉각 EoS에 이상기체 확장을 포함한 두 가지 변형.
• 토르스 질량을 정의하기 위해 유체 요소의 운동량이 킬러 블랙홀 주위의 안정한 원형 궤도(ISCO)의 운동량을 초과해야 한다는 조건을 설정한다.
• 잔류 질량과 스핀을 시뮬레이션 출력에서 유도한 후, 의사-킬러 메트릭을 사용하여 ISCO 성질을 계산한다.
• 이중계의 특성을 기술하기 위해 운동량, 바리온 질량, 중력 질량, 궤도 속도를 추적한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상태방정식의 선택이 후기 병합 진화와 블랙홀 형성 timescale에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ2 토르스 질량은 바이너리 질량 비율, 초기 중성자별 스핀, EoS의 딱딱함에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 비결속 물질의 열적 및 운동적 성질은 EoS와 시스템의 비대칭성에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 초기 스핀 상태가 후기 병합 잔류체의 운동량과 안정성에 미치는 영향은 어느 정도인가?
• RQ5 다양한 EoS는 순환 토르스의 질량 및 엔트로피 구조를 예측하는 데 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 비대칭 시스템에서 질량 비율 0.55일 때 토르스 질량은 최대 0.3 M⊙에 이르며, 감마선 폭발 엔진의 상당한 질량 저축을 나타낸다.
• 연약한 Lattimer & Swesty EoS는 즉각적이거나 빠른 후기 병합 붕괴를 유도하지만, 더 딱딱한 EoS는 역학적 시간 척도 내에서 붕괴를 방지한다.
• 토르스 온도는 3에서 10 MeV 사이로 변동하며, 이는 중성자별 충돌 표면의 비틀림에 의해 증가하고, 초기 중성자별 스핀이 클수록 더욱 뚜렷하다.
• 약 10⁻³에서 10⁻² M⊙의 중성자별 물질이 중력적으로 비결속 상태가 되며, 이는 표면에서 고온·고엔트로피 물질과 비대칭 케이스에서는 나선 팔에서 유래한 냉각·저엔트로피 물질로 구성된다.
• 모든 EoS에서 후기 병합 잔류체는 수십 개의 역학적 시간 척도 동안 안정성을 유지하지만, 연약한 Lattimer & Swesty 모델을 제외한 나머지는 빠른 붕괴를 유도한다.
• ISCO 운동량 기반 토르스 기준은 결속된 물질을 성공적으로 식별하였으며, 잔류체 질량과 스핀 파rameter는 시뮬레이션 출력에서 유도하여 킬러 메트릭을 정의하고 ISCO 계산에 활용하였다.