[论文解读] Merging neutron stars: asymmetric systems

Stephan Rosswog, M. B. Davies+2 more|ArXiv.org|May 29, 2000

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用 53

一句话总结

本研究通过质量或自旋不对称的中子星双星并合的三维牛顿流体动力学模拟，表明不对称系统会形成快速旋转、质量超过2.3 M☉的致密核心，其最终命运尚不确定——可能形成黑洞或超大质量中子星。模拟结果显示反冲速度可达数百公里每秒，喷射物质质量一致，暗示具有显著的r-过程核合成潜力；同时，混合人工黏性方案有效提升了激波与剪切流的分辨率，减少了虚假黏性效应。

ABSTRACT

Results of 3D, Newtonian hydrodynamic calculations of the last stages of the inspiral and the final coalescence of neutron star binary systems are described. The focus is on sligthly asymmetric systems with the asymmetry stemming either from different spins or different masses of the binary components. Implications for nucleosynthesis and gamma ray bursts are discussed. Test calculations for the used viscosity scheme are provided in the appendix.

研究动机与目标

• 研究质量或自旋不对称的中子星双星并合的动力学演化及其最终命运。
• 评估不对称性对中心致密天体（包括黑洞或超大质量中子星）形成的影响。
• 量化物质喷射量及其对银河系r-过程元素丰度的贡献。
• 测试并验证一种混合人工黏性方案，以提升SPH模拟中激波与剪切流的分辨率。
• 确定核方程态对并合过程中质量喷射的影响。

提出的方法

• 采用三维牛顿光滑粒子流体动力学（SPH）模拟，研究中子星双星的最终旋近与并合过程。
• 采用混合人工黏性方案，结合时间依赖的黏性参数与Balsara开关，以减少剪切与激波区域的虚假黏性。
• 模拟质量比为1.3 M☉与1.4 M☉的系统，并探索自旋不对称配置。
• 应用LS方程态，并在测试案例中引入中微子冷却效应，以评估其对质量喷射的影响。
• 开展三项测试问题：激波管用于验证激波特性的分辨率，自转不对称星体用于测试黏性时间尺度，潮汐相互作用双星用于评估虚假黏性效应。
• 测量关键可观测量，如中心天体质量、喷射物质质量、反冲速度以及无重子喷流的形成。

实验结果

研究问题

• RQ1 不对称中子星双星并合后形成的中心核心命运如何？其能否以超大质量中子星形式长期存在？
• RQ2 质量或自旋不对称性如何影响物质喷射及后续的核合成潜力？
• RQ3 核方程态在多大程度上决定了并合过程中喷射质量的多少？
• RQ4 该混合人工黏性方案在SPH模拟中解析激波并最小化虚假黏性力方面效果如何？
• RQ5 在不对称系统中，中心天体两极是否能形成无重子喷流，从而为伽马射线暴模型提供喷流形成的可能性？

主要发现

• 所有模拟均形成质量超过2.3 M☉的中心致密核心，无法明确判断其最终是坍缩为黑洞还是形成超大质量中子星。
• 由于质量或自旋的不对称性，中心天体受到数百公里每秒量级的反冲速度。
• 喷射物质质量与对称系统相当，且足以显著贡献于银河系中r-过程元素的丰度。
• 混合人工黏性方案提升了激波特性的分辨率，降低了平均黏性参数α，同时在激波与剪切流测试中保持了准确性。
• 即使在不同自旋配置下，中心天体两极仍能维持无重子喷流，表明其具备为伽马射线暴模型提供喷流的潜力。
• 测试模拟表明，总喷射质量主要由核方程态在高密度区的行为决定。