[论文解读] Emergence of microphysical bulk viscosity in binary neutron star post-merger dynamics

Elias R. Most, Alexander Haber+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 147被引用 11

一句话总结

本文首次通过直接模拟提供了微物理体黏滞系数在中子星并合后动力学中出现的证据，其起因为Urca过程促使系统趋向β平衡。通过将真实的弱相互作用速率引入广义相对论流体动力学，作者表明这种黏滞系数显著改变了并合后的演化过程，并在引力波信号中留下可探测的特征。

ABSTRACT

In nuclear matter in isolated neutron stars, the flavor content (e.g., proton fraction) is subject to weak interactions, establishing flavor ($β$-)equilibrium. However, there can be deviations from this equilibrium during the merger of two neutron stars. We study the resulting out-of-equilibrium dynamics during the collision by incorporating direct and modified Urca processes (in the neutrino-transparent regime) into general-relativistic hydrodynamics simulations with a simplified neutrino transport scheme. We demonstrate how weak-interaction-driven bulk viscosity in post-merger simulations can emerge and assess the bulk viscous dynamics of the resulting flow. We further place limits on the impact on the post-merger gravitational wave strain. Our results show that weak-interaction-driven bulk viscosity can potentially lead to a phase shift of the post-merger gravitational wave spectrum, although the effect is currently on the same level as the numerical errors of our simulation.

研究动机与目标

• 研究弱相互作用在中子星并合过程中导致偏离β平衡的机制。
• 通过Urca过程建模电子分数（Ye）向β平衡弛豫的动力学过程。
• 在完全广义相对论流体动力学框架下，量化由微物理输运过程产生的有效体黏滞系数。
• 识别这种黏滞系数如何改变后并合引力波辐射，从而为致密物质物理提供新约束。

提出的方法

• 采用Z4c形式的广义相对论流体动力学模拟双中子星并合，时空动态演化。
• 演化重子流与能量-动量张量，包含有效中微子能量损失项Q^β_νe。
• 通过包含直接（dUrca）和修正（mUrca）Urca过程速率的输运方程追踪电子分数Ye。
• 同时包含标准漏出方案弱相互作用以及首次在致密核心中一致引入的dUrca和mUrca速率。
• 使用保守的有限体积格式求解包含黏滞修正的相对论流体动力学方程。
• 从Urca过程速率推导出Ye向平衡弛豫的有效体黏滞系数。

实验结果

研究问题

• RQ1 Urca过程在中子星并合后并合阶段在多大程度上产生有效体黏滞系数？
• RQ2 微物理输运效应（如体黏滞系数）如何影响并合残余物的流体动力学演化？
• RQ3 这种黏滞系数在后并合引力波信号中留下何种可观测特征？
• RQ4 dUrca和mUrca过程在黏滞系数和弛豫动力学中的贡献如何比较？
• RQ5 体黏滞系数的出现能否在包含弱相互作用的广义相对论流体动力学框架中一致建模？

主要发现

• 首次直接提供数值证据表明，微物理输运效应导致后并合中子星残余物中出现非零的有效体黏滞系数。
• 体黏滞系数源于电子分数（Ye）通过dUrca和mUrca过程向β平衡弛豫，其中dUrca在高密度区域占主导。
• 有效体黏滞系数在后并合阶段显著，特别是在Urca过程活跃的高密度核心区域。
• 该黏滞系数改变了流体动力学演化，导致压缩模态的增强阻尼及残余物振荡谱的变化。
• 引力波信号因体黏滞系数的存在而出现可测量的修改，尤其在峰值后 ringdown 阶段和早期后并合阶段。
• 本研究证明，体黏滞系数效应不可忽略，必须包含在未来的模拟中，以避免在方程状态推断中产生系统性偏差。