[論文レビュー] Compact Dark Objects in Neutron Star Mergers

Andreas Bauswein, Gang Guo+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 83被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、中性子星合体の残骸内を公転するコンパクトなダークマター（DM）対象から生じる長期間にわたる重力波（GW）放射を調査する。3次元相対論的シミュレーションとテスト粒子近似を用いて、0.01–0.1 M⊙のDMコアが、数秒から数年にわたるkHz帯のGW信号を生成することが示され、DMが十分に質量を持つ場合にのみ検出可能である。周波数は中性子星のcompactnessと合体後の流体GWモードに比例する。

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.

研究の動機と目的

• 二つの中性子星の合体後に形成されるコンパクトなダークマター対象から、長期にわたる重力波放射が生じる可能性を探る。
• 相対論的流体力学とテスト粒子近似を用いて、合体残骸内におけるダークマター・コアの軌道的運動をモデル化する。
• 現在および将来の重力波観測所が、このようなGW信号を検出可能かどうかを評価する。
• 軌道を回るDMのGW周波数と、中性子星の観測可能な性質（compactness、潮汐歪度、合体後の流体GWモード）とのスケーリング関係を確立する。
• 残骸がブラックホールに崩壊するまでのGW信号の持続時間（寿命）を調査する。これは、信号放射が即座に終了することを意味する。

提案手法

• DMをテスト粒子として扱い、3次元相対論的流体力学を用いて、コンパクトなダークマター・コアを有する二つの中性子星の合体をシミュレートする。
• 球対称で不均一な媒体内での軌道的運動をモデル化するため、有効質量近似 μ(R) = M_DM / M(R) を用いる。
• 重力とGWの反作用に起因する非円形軌道を記述するため、軌道方程式 d²u/dθ² + u = (1/L²)(4πρM²_DM)/u³ を解く。ここで u = 1/R である。
• 四極子公式を適用して、1周あたりのGWエネルギー損失と角運動量損失を計算し、時間経過に伴い軌道パラメータを繰り返し更新する。
• エネルギー損失が初期エネルギーの1%を超えるまで、N₀周期ごとにエネルギー損失と角運動量損失を再計算し、複数周回にわたって系を進化させる。
• 円形軌道と非円形軌道の間でGWの振幅と周波数を比較し、放射効率の差を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子星合体の残骸内に存在するコンパクトなダークマター対象は、長期間にわたる重力波信号を生成できるか？
• RQ2 回転するダークマター・コアから生じる重力波放射の周波数と持続時間は何か？
• RQ3 ダークマター成分のGW周波数は、中性子星のcompactnessと合体後の流体振動にどのように比例するか？
• RQ4 現在および将来の重力波検出器で、このようなGW信号を検出可能な閾値は何か？
• RQ5 円形軌道と比較して、軌道の離心率はGW放射効率にどのように影響するか？

主な発見

• 質量 0.01–0.1 M⊙ の回転するダークマター・コアは、数kHz帯の重力波信号を生成する。
• ダークマター成分のGW周波数は、中性子星のcompactnessに比例し、状態方程式に関する間接的制約が可能になる。
• DMのGW周波数と、支配的となる合体後の流体GW周波数との間に相関が見られ、またインスパイア段階における潮汐歪度とも相関する。
• GW放射は、GW反作用が主な散逸過程と仮定した場合、数秒から数年にわたって持続する可能性がある。
• 非円形軌道は、同等の円形軌道と比較して、封じ込められた質量が少ないため、GW放射効率が低く、振幅が2–3倍小さくなる。
• 残骸の寿命がGW放射を制限しており、ブラックホール形成によって、内側安定円軌道より小さい軌道半径にあるダークマター対象が即座に飲み込まれるためである。