[论文解读] Head-on collisions of Proca stars

N. Sanchis-Gual, Carlos Herdeiro+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2018

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 1

一句话总结

本文通过全非线性数值相对论研究了等质量Proca星的正碰碰撞与轨道并合，表明星体的紧凑度决定了最终结果：低紧凑度星体形成稳定残余物，而高紧凑度星体则形成短暂存在的超质量星，其最终衰变为被准束缚Proca态包围的黑洞，波形特征与准正规模 ringing 相符，尽管存在微小偏差，仍与史瓦西黑洞的特征一致。

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.

研究动机与目标

• 通过全非线性数值相对论研究等质量Proca星在正碰碰撞与轨道并合下的动力学演化。
• 确定Proca星的紧凑度如何影响碰撞的最终状态与引力波形。
• 研究是否形成短暂存在的超质量Proca星并衰变为黑洞，以及其是否在波形中留下可探测的痕迹。
• 考察角动量在双星并合中的作用，以及旋转的Proca星是否演化至角动量趋于零的平衡态。

提出的方法

• 对爱因斯坦-(复)Proca系统进行全非线性数值演化，以模拟等质量Proca星的正碰碰撞与轨道并合。
• 使用静态Proca星解作为初始数据，通过调节紧凑度以探索不同的动力学区域。
• 追踪标量场、度规与视界的变化，以识别黑洞形成与准束缚态残余物。
• 分析引力波形，与史瓦西黑洞的准正规模 ringing 进行比较，并检测与标准黑洞并合的偏差。
• 监测并合残余物中角动量的演化，以评估其向平衡态的弛豫过程。
• 采用紧凑度、能量损失与场分布演化等数值诊断手段对结果进行分类。

实验结果

研究问题

• RQ1 Proca星的紧凑度如何影响正碰碰撞的结果？
• RQ2 在高度紧凑的Proca星碰撞中是否形成超质量星，其是否衰变为黑洞？
• RQ3 Proca星碰撞的引力波形能否与黑洞并合的波形区分开来，特别是在 ringdown 阶段？
• RQ4 在Proca星双星并合中角动量如何演化，其最终平衡态是否趋于零？
• RQ5 短暂存在的Proca准束缚态是否在引力波信号中留下可测量的痕迹？

主要发现

• 低紧凑度的Proca星在碰撞后形成稳定的Proca星残余物，表明此类碰撞具有动力学稳定性。
• 高度紧凑的Proca星在碰撞后产生短暂存在的超质量Proca星，随后衰变为黑洞。
• 衰变过程中的超质量态被短暂存在的Proca准束缚态包围，这些态可能在引力波形中留下可探测的印记。
• 黑洞残余物的最终准正规模 ringing 与史瓦西黑洞一致，尽管由于长寿命的准束缚态，仍可能存在微小偏差。
• 紧凑Proca星的轨道并合形成一个保留初始轨道角动量的Kerr黑洞，并被短暂存在的Proca场残余物包围。
• 对于较不紧凑的星体，并合产生一个质量大且旋转的非平衡态Proca星，其角动量最终趋于零，系统趋近于最终的平衡态。