[論文レビュー] The Influence of Thermal Pressure on Hypermassive Neutron Star Merger Remnants

Jeffrey D. Kaplan, Christian D. Ott+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2013

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、一般相対論的平衡モデルを用いて、熱的圧力がハイパーマスプル・ニュートン星合体残骸の安定性および寿命に与える影響を調査する。熱く、臨界回転している状態では、冷たい状態の最大質量を超えないが、臨界的でない回転、より低い密度の残骸は顕著な熱的質量増強を経験し、冷却中の安定性を延長することで崩壊を遅らせる。

ABSTRACT

The merger of two neutron stars leaves behind a rapidly spinning hypermassive object whose survival is believed to depend on the maximum mass supported by the nuclear equation of state, angular momentum redistribution by (magneto-)rotational instabilities, and spindown by gravitational waves. The high temperatures (~5-40 MeV) prevailing in the merger remnant may provide thermal pressure support that could increase its maximum mass and, thus, its life on a neutrino-cooling timescale. We investigate the role of thermal pressure support in hypermassive merger remnants by computing sequences of spherically-symmetric and axisymmetric uniformly and differentially rotating equilibrium solutions to the general-relativistic stellar structure equations. Using a set of finite-temperature nuclear equations of state, we find that hot maximum-mass critically spinning configurations generally do not support larger baryonic masses than their cold counterparts. However, subcritically spinning configurations with mean density of less than a few times nuclear saturation density yield a significantly thermally enhanced mass. Even without decreasing the maximum mass, cooling and other forms of energy loss can drive the remnant to an unstable state. We infer secular instability by identifying approximate energy turning points in equilibrium sequences of constant baryonic mass parametrized by maximum density. Energy loss carries the remnant along the direction of decreasing gravitational mass and higher density until instability triggers collapse. Since configurations with more thermal pressure support are less compact and thus begin their evolution at a lower maximum density, they remain stable for longer periods after merger.

研究の動機と目的

• 熱的圧力がハイパーマスプル・ニュートン星合体残骸の最大質量および安定性に与える影響を評価すること。
• 高温からの熱的圧力の支持が、冷たい状態方程式が予測する時間よりも長く、これらの残骸の寿命を延ばすかどうかを特定すること。
• エネルギー損失、特にニュートリノ冷却が、平衡系列に沿った徐々に不安定化する状態へと残骸を駆り立てるプロセスを分析すること。
• 一様回転と非一様回転の異なる回転プロファイル（臨界 vs. 臨界的でない）を、有限温度状態方程式のもとで比較すること。

提案手法

• 一般相対論的星体構造方程式の球対称および軸対称平衡解の系列を計算する。
• 5–40 MeVの温度における高密度物質の熱力学的性質をモデル化するため、有限温度核状態方程式のセットを用いる。
• 定常核物質量をパラメータとして、最大密度を変化させることで冷却過程中の進化経路を追跡する。
• エネルギー転送点を特定し、徐々に不安定化の開始を推定する。
• 角運動量再分配と重力波による回転速度低下が、熱的圧力支持と併せて果たす役割を分析する。
• 臨界回転と臨界的でない回転の状態を比較し、熱的質量増強および安定化 timescale の違いを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱的圧力支持は、ハイパーマスプル・ニュートン星残骸が維持できる最大核物質量を増加させるか？
• RQ2 臨界的でない回転を持つ残骸において、熱的圧力は冷たい状態のものと比較して安定性および寿命にどのように影響するか？
• RQ3 冷却過程のどの段階で徐々に不安定化が引き起こされ、熱的圧力はこの閾値にどのように影響するか？
• RQ4 一様回転と非一様回転の異なる回転プロファイルは、熱的圧力が重力的崩壊を遅らせる効果をどのように変化させるか？
• RQ5 最大質量が増加しない場合でも、熱的圧力支持が、残骸のコンパクトネスと進化経路を変化させることで、崩壊を遅らせる可能性はあるか？

主な発見

• 熱く、臨界回転している状態では、冷たい状態のものと比較して核物質量が大きくなることはなく、臨界回転下では熱的質量増強が見られない。
• 核密度の数倍以下の平均密度を示す臨界的でない回転を持つ状態では、圧力支持により顕著な熱的質量増強が観察される。
• 最大質量が増加しない場合でも、熱的圧力支持によりコンパクトネスが低下し、ニュートリノ冷却中の安定性が延長される。
• エネルギー損失により、重力的質量は減少し、密度は増加する経路に沿って残骸が進化し、定常核物質量系列におけるエネルギー転送点で不安定化が引き起こされる。
• より高い熱的圧力支持を有する残骸は、冷却を開始する際の最大密度が低くなるため、合体後の安定進化段階が延長される。
• よりコンパクトな状態では、徐々に不安定化の閾値が早期に達するため、熱的圧力がより低い密度の残骸において安定化する役割を果たすことが強調される。