[論文レビュー] Spinning down newborn neutron stars: nonlinear development of the r-mode instability

R. Bondarescu, Saul A. Teukolsky+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2008

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 29

ひとこと要約

本稿は、新生中性子星におけるrモード不安定性の非線形飽和を、三モード結合（rモードおよび二つの準共鳴インertialモード）を用いてモデル化し、自転減速の進化が粘性および冷却メカニズムに極めて敏感であることを示している。非線形ダイナミクスにより、超新星爆発後数年から数十年にわたり、rモードからの重力波放射がアドバンスドLIGOで検出可能である可能性がある。これは、内部の散逸特性に依存し、超新星爆発後の温度変動が複雑な周期的振動を引き起こし、ハイパロン超流動性および境界層の粘性に応じて自転減速 timescale が変化することを示している。

ABSTRACT

We model the nonlinear saturation of the r-mode instability via three-mode couplings and the effects of the instability on the spin evolution of young neutron stars. We include one mode triplet consisting of the r-mode and two near resonant inertial modes that couple to it. We find that the spectrum of evolutions is more diverse than previously thought. The evolution of the star is dynamic and initially dominated by fast neutrino cooling. Nonlinear effects become important when the r-mode amplitude grows above its first parametric instability threshold. The balance between neutrino cooling and viscous heating plays an important role in the evolution. Depending on the initial r-mode amplitude, and on the strength of the viscosity and of the cooling this balance can occur at different temperatures. If thermal equilibrium occurs on the r-mode stability curve, where gravitational driving equals viscous damping, the evolution may be adequately described by a one-mode model. Otherwise, nonlinear effects are important and lead to various more complicated scenarios. Once thermal balance occurs, the star spins-down oscillating between thermal equilibrium states until the instability is no longer active. For lower viscosity we observe runaway behavior in which the r-mode amplitude passes several parametric instability thresholds. In this case more modes need to be included to model the evolution accurately. In the most optimistic case, we find that gravitational radiation from the r-mode instability in a very young, fast spinning neutron star within about 1 Mpc of Earth may be detectable by advanced LIGO for years, and perhaps decades, after formation. Details regarding the amplitude and duration of the emission depend on the internal dissipation of the modes of the star, which would be probed by such detections.

研究の動機と目的

• 一モード近似を超えた、新生中性子星におけるrモード不安定性の非線形飽和を調査すること。
• 粘性（ハイパロン体粘性および境界層粘性）および冷却（直接URCA、ニュートリノ冷却）が自転減速の進化および重力波放射に与える影響を特定すること。
• 新生で高速回転する中性子星が約1 Mpc以内に存在する場合、アドバンスドLIGOによるrモード重力波の検出可能性を評価すること。
• 熱的平衡状態およびパラメトリック不安定性の閾値が、星の自転および温度の進化をどのように規定するかを探索すること。

提案手法

• rモードおよび二つの準共鳴インertialモードを含む、三モード結合を用いてrモード不安定性の非線形進化をモデル化する。
• 二段階の粘性モデルを用いる：高温時（T ~ 10^9–10^10 K）にはハイパロン体粘性、低温時（~3×10^8 K）には境界層粘性。
• 高温（T ~ 10^10 K）かつ高速回転（ケプラーパラメータに近い）の状態から始める自転減速の進化をシミュレートする。
• 重力波駆動力、粘性加熱、ニュートリノ冷却のエネルギー収支を適用し、熱的平衡状態を特定する。
• 重力波放射および粘性散逸率の解析的近似を用いて、自転減速timescaleのスケーリング則を導出する。
• 非線形効果が支配的になる状況において、特に準定常状態近似を用いてモード振幅の進化をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三モード結合を含めることで、一モードモデルと比較して新生中性子星の自転減速進化はどのように変化するか？
• RQ2 rモード安定性曲線上での熱的平衡状態はどのような条件下で達成され、非線形効果が進化を支配するタイミングはいつか？
• RQ3 ハイパロン超流動転移温度および境界層粘性の変動が、rモード駆動による重力波放射の継続時間および振幅にどのように影響するか？
• RQ4 どのような条件下で、中性子星形成後数年から数十年にわたり、rモード重力波放射がアドバンスドLIGOで検出可能になるか？
• RQ5 粘性の強さおよび初期条件と関連して、自転減速timescaleを支配するスケーリング則は何か？

主な発見

• rモード不安定性は、内部散逸特性に依存して、形成後数十年にわたりアドバンスドLIGOで検出可能な重力波放射を引き起こす可能性がある。
• 非線形効果は、rモード振幅が最初のパラメトリック不安定性閾値を超えると顕著になり、一モードモデルを超える複雑なダイナミクスを引き起こす。
• rモード安定性曲線上での熱的平衡状態は、振幅が減少する振動的自転減速行動を引き起こし、最終的に安定性曲線上に収束する。
• 低粘性条件下では、rモード振幅が複数のパラメトリック閾値を通過するため、発散的挙動が生じ、正確なモデル化にはより多くのモードの取り入れが必要となる。
• 境界層粘性が支配的になると、最終的な自転周波数はハイパロン体粘性の強さにほぼ依存しなくなり、自転減速timescaleは t_spin-down ∝ A_hb^(-1) のようにスケーリングする。
• 最も楽観的な状況では、約1 Mpc以内の新生で高速回転する中性子星からの重力波放射が、数年から数十年にわたり検出可能であり、検出可能性は内部散逸特性に依存する。