[論文レビュー] Transport in Neutron Star Mergers

Steven P. Harris|arXiv (Cornell University)|May 19, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 269被引用数 6

ひとこと要約

本学位論文は、中性子星合体における輸送過程を調査し、弱い相互作用に起因するバルク粘性およびaxion媒介熱輸送に注目する。axionの平均自由行程および発光度に対する改良されたフェルミ面近似を提案し、高温域では標準的な近似が失敗するのに対し、改良された手法は縮重・高密度核物質においても正確であることを示す。

ABSTRACT

After an introduction to the QCD phase diagram, the nuclear equations of state, and neutron star mergers, I discuss three projects related to transport and nuclear matter in neutron star mergers. The first is the nature of beta equilibrium in the portion of a merger that is transparent to neutrinos. We calculate the weak interaction (Urca) rates and find that the beta equilibrium condition needs to be modified by adding an additional chemical potential, which changes slightly the particle content in neutrino-transparent beta equilibrium. Secondly, we calculate the bulk viscosity in neutrino-transparent nuclear matter in conditions encountered in neutron star mergers. Bulk viscosity arises from a phase lag between the pressure and density in the nuclear matter, which is due to the finite rate of beta equilibration. When bulk viscosity is sufficiently strong, which happens when the equilibration rate nearly matches the frequency of the density oscillation, it can noticeably dampen the oscillation. We find that in certain thermodynamic conditions likely encountered in mergers, oscillations in nuclear matter can be damped on timescales on the order of 10 milliseconds, so we conclude that bulk viscosity should be included in merger simulations. Finally, we study thermal transport due to axions in neutron star mergers. We conclude that axions are never trapped in mergers, but instead escape, carrying energy away from the merger. We calculate the cooling time due to the energy carried away by axions and find that within current constraints on the axion-nucleon coupling, axions could cool fluid elements in mergers on timescales which could affect the dynamics of the merger.

研究の動機と目的

• 中性子星合体における弱い相互作用およびニュートリノ放射の役割を理解し、特にバルク粘性および熱的進化に与える影響を明らかにすること。
• 特に標準フェルミ面近似を超えた状況において、高密度核物質内でのaxionの平均自由行程および発光度計算の精度を向上させること。
• 中性子星合体環境における密度および温度の変動下で、一般的に用いられる近似（非相対論的、フェルミ面、相対論的状態空間）の妥当性を評価すること。
• axionがニュートリノ透過性で高密度核物質内において効果的な熱輸送粒子として機能できるかどうか、およびその平均自由行程が十分に長い条件を特定すること。
• 一次相転移を伴うハイブリッド星モデルにおける、奇妙矮星のような特異的コンパクト天体の動的安定性を評価すること。

提案手法

• 定数行列要素を用いた相対論的状態空間積分とデルタ関数による運動量保存を組み合わせ、axionの平均自由行程を導出する。
• axion生成の四体状態空間積分を簡略化するためフェルミ面近似を適用し、フェルミ面近傍での完全なエネルギー依存性を保持することで改良する。
• 数値積分を用いて、改良フェルミ面近似を非相対論的・完全相対論的・標準フェルミ面近似と比較する。
• Sturm-Liouville固有値法を用いてTOV解の径方向振動モードを解析し、ハイブリッド星モデルにおける不安定な構成を同定する。
• ベータ平衡条件下での弱い過程の再平衡率を用いてバルク粘性を評価し、特に直接的および修正Urca過程に注目する。
• マクスウェル関係を適用して断熱的・等温的振動を結びつけ、バルク粘性計算の熱力学的整合性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高密度核物質内において、温度および密度が変化する条件下で、さまざまな近似（フェルミ面、非相対論的、完全相対論的）におけるaxionの平均自由行程はどのように変化するか？
• RQ2 特に高温域において、中性子星合体の状況下で、axionの発光度および平均自由行程に対する標準フェルミ面近似の正確さはいかほどか？
• RQ3 中性子星合体の過程において、ニュートリノ透過性物質内にあってaxionが効果的な熱輸送粒子として機能できるか。その平均自由行程が十分に長い条件は何か？
• RQ4 一次相転移を伴うハイブリッド星モデルにおいて予測される奇妙矮星は、径方向振動解析の下で動的安定性を示すか？
• RQ5 フェルミ面近似からの逸脱が、合体の力学的過程における高密度・縮重度核物質内でのバルク粘性計算にどのように影響するか？

主な発見

• axionの平均自由行程に対する標準フェルミ面近似は、~40 MeVを超える高温域で著しく失敗する。これは縮重度の喪失に起因するが、改良フェルミ面処理は縮重度領域では依然として正確である。
• 飽和密度（1n₀）において、非相対論的近似は~100 MeVを超える高温域で著しくずれる。これはデルタ関数内でのaxion運動量の無視および誤ったエネルギー分母によるものである。
• 高密度（7n₀）では中性子が依然として縮重状態にあり、改良フェルミ面近似と完全相対論的状態空間積分が正確な計算とよく一致する。これにより、改良近似の妥当性が裏付けられる。
• 改良フェルミ面近似により、縮重度物質内でのaxion平均自由行程について閉形式の式が得られた：$ \lambda^{-1} \propto T^3 K_1(\hat{y}, \omega/T) $、ここで $ \hat{y} = (\mu_n^* - m_*)/T $ であり、フェルミ面近傍の非平衡効果を捉えている。
• 発光度および平均自由行程の計算において、非相対論的状態空間積分は高温域で真の値を過小評価している。これは誤ったエネルギー近似に起因する。
• 一次相転移を伴うハイブリッド星の安定性解析から、質量半径極値(c)と(d)の間の構成は負の固有振動数の二乗を示し、不安定であることが判明。これにより、安定な奇妙矮星の存在は排除される。