[论文解读] A New Moment-Based General-Relativistic Neutrino-Radiation Transport Code: Methods and First Applications to Neutron Star Mergers

David Radice, Sebastiano Bernuzzi+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 136被引用 135

一句话总结

本文提出了一种新型基于矩量的广义相对论中微子输运代码 THC_M1，首次在中子星并合模拟中包含了完整的非线性多普勒效应和中微子-物质耦合。该代码实现了稳健的、长达 70 ms 的三维广义相对论模拟，具备完整的中微子输运，揭示了来自吸积盘的中微子辐照会增强赤道方向喷射物中的电子丰度，但与旧方案相比，核合成产物仅受到轻微影响。

ABSTRACT

We present a new moment-based energy-integrated neutrino transport code for neutron star merger simulations in general relativity. In the merger context, ours is the first code to include Doppler effects at all orders in $\upsilon/c$, retaining all nonlinear neutrino-matter coupling terms. The code is validated with a stringent series of tests. We show that the inclusion of full neutrino-matter coupling terms is necessary to correctly capture the trapping of neutrinos in relativistically moving media, such as in differentially rotating merger remnants. We perform preliminary simulations proving the robustness of the scheme in simulating ab-initio mergers to black hole collapse and long-term neutron star remnants up to ${\sim}70\,$ms. The latter is the longest dynamical spacetime, 3D, general relativistic simulations with full neutrino transport to date. We compare results obtained at different resolutions and using two different closures for the moment scheme. We do not find evidences of significant out-of-thermodynamic equilibrium effects, such as bulk viscosity, on the postmerger dynamics or gravitational wave emission. Neutrino luminosities and average energies are in good agreement with theory expectations and previous simulations by other groups using similar schemes. We compare dynamical and early wind ejecta properties obtained with M1 and with our older neutrino treatment. We find that the M1 results have systematically larger proton fractions. However, the differences in the nucleosynthesis yields are modest. This work sets the basis for future detailed studies spanning a wider set of neutrino reactions, binaries and equations of state.

研究动机与目标

• 开发一种基于矩量的中微子输运方案，以准确捕捉广义相对论中的非线性多普勒位移和完整的中微子-物质耦合。
• 首次在长达 70 ms 的并合后时间尺度上，实现具备完整中微子输运的中子星并合三维广义相对论模拟。
• 评估中微子输运对并合后动力学、引力波辐射和核合成产物的影响。
• 将新 M1 方案的结果与旧的 M0+泄漏方案和 M1 方案进行比较，评估电子丰度和核合成产物的差异。

提出的方法

• 该代码采用基于矩量的方法求解广义相对论中的能量积分玻尔兹曼方程，保留所有 𝑣/𝑐 中的非线性项。
• 包含完整的中微子-物质耦合项，可准确模拟在相对论性运动介质（如不同旋转的并合残余物）中的中微子捕获。
• 该方案使用矩量系统的闭合关系，并在 THC（含中微子的相对论流体动力学）代码框架中实现。
• 通过两种闭合方案（M1 和 M0+泄漏）及多种分辨率进行模拟，以验证其鲁棒性和收敛性。
• 该代码经过一系列严格测试，包括激波管问题和球对称问题。
• 计算并比较了中微子光度和平均能量，与理论预期及先前模拟结果一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 与标准泄漏方案或 M0 方案相比，包含完整中微子-物质耦合和多普勒效应是否显著改变中子星并合残余物的动力学？
• RQ2 非热平衡效应（如体积粘滞）在多大程度上影响并合后的振荡和引力波辐射？
• RQ3 来自中心残余物和吸积盘的中微子辐照在多大程度上影响动力学喷射物和缓变喷射物的电子丰度和成分？
• RQ4 中微子输运对核合成产物（特别是 r-过程元素）有何影响？
• RQ5 新 M1 方案的结果与 M0+泄漏 方案以及 SXS 合作组的结果在定量上如何比较？

主要发现

• 该新代码成功实现了长达 70 ms 的中子星并合模拟，是迄今为止最长的三维、广义相对论、完整中微子输运模拟。
• 完整的中微子-物质耦合对于正确模拟在不同旋转的并合残余物中的中微子捕获至关重要，而标准泄漏方案无法捕捉这一效应。
• 尽管在 M1 方案中包含了相关项，但未发现体积粘滞或其他非平衡效应显著阻尼并合后振荡的显著证据。
• 中微子光度和平均能量与理论预期及先前模拟结果相符良好，M1 结果与 SXS 数据一致，而 M0+泄漏 方案对电子型中微子光度的估计最高高出两倍。
• M1 方案预测喷射物中电子丰度系统性更高（Ye ≈ 0.4–0.55），而 M0+泄漏 方案预测值较低（Ye ≈ 0.2–0.35），但由于再处理效应，核合成产物仅受到轻微影响。
• 来自吸积盘的中微子辐照增强了赤道方向喷射物的电子丰度，导致因能量依赖的吸收截面而产生视角依赖的千新星光曲线。