[论文解读] Gravitational Wave Signals from Two-Dimensional Core-Collapse Supernova Models with Rotation and Magnetic Fields

Rylan Jardine, J. Powell+1 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 10被引用 4

一句话总结

本研究利用中微子-辐射流体动力学方法，研究了具有旋转和磁场的二维核心坍缩超新星模型中的引力波（GW）信号。结果表明，快速旋转和强磁场（高达10¹² G）显著改变了GW辐射的时间-频率结构，破坏了标准解析频率关系，并在磁旋转爆炸中产生独特的信号特征，如高振幅尾部信号，尽管探测性与非磁化模型相当。

ABSTRACT

We investigate the impact of rotation and magnetic fields on the dynamics and gravitational wave emission in 2D core-collapse supernova simulations with neutrino transport. We simulate 17 different models of $15\,M_\odot$ and $39\,M_\odot$ progenitor stars with various initial rotation profiles and initial magnetic fields strengths up to $10^{12}\, \mathrm{G}$, assuming a dipolar field geometry in the progenitor. Strong magnetic fields generally prove conducive to shock revival, though this trend is not without exceptions. The impact of rotation on the post-bounce dynamics is more variegated, in line with previous studies. A significant impact on the time-frequency structure of the gravitational wave signal is found only for rapid rotation or strong initial fields. For rapid rotation, the angular momentum gradient at the proto-neutron star surface can appreciably affect the frequency of the dominant mode, so that known analytic relations for the high-frequency emission band no longer hold. In case of two magnetorotational explosion models, the deviation from these analytic relations is even more pronounced. One of the magnetorotational explosions has been evolved to more than half a second after the onset of the explosion and shows a subsidence of high-frequency emission at late times. Its most conspicuous gravitational wave signature is a high-amplitude tail signal. We also estimate the maximum detection distances for our waveforms. The magnetorotational models do not stick out for higher detectability during the post-bounce and explosion phase.

研究动机与目标

• 理解旋转和磁场如何影响核心坍缩超新星的动力学及引力波（GW）辐射。
• 评估强磁场（高达10¹² G）和快速旋转对激波复兴和爆炸成功的影响。
• 研究在磁旋转条件下，后碰撞阶段引力波频率的既定解析关系的偏离情况。
• 利用当前和未来探测器估算这些模型中引力波信号的最大探测距离。
• 识别可区分磁旋转爆炸与标准中微子驱动事件的独特引力波特征，如尾部信号。

提出的方法

• 模拟了17个二维核心坍缩超新星模型，包括15 M⊙和39 M⊙的前体星，其初始旋转分布和磁场强度各不相同。
• 采用中微子-辐射流体动力学方法，前体星中使用偶极磁场几何结构，模型演化从核心碰撞开始，持续超过500 ms。
• 应用线性本征模分析以识别引力波谱图中振荡模态的性质，特别是f-模和g-模。
• 将引力波信号的时间-频率结构与已知的f/g-模频率解析关系进行对比，尤其在快速旋转或强磁化条件下。
• 利用模拟波形和信噪比分析，估算先进LIGO和爱因斯坦望远镜对最大探测距离的估计。
• 分析物质和引力波信号，以识别各向异性辐射特征，如磁旋转爆炸中的高振幅尾部信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 强磁场和快速旋转如何影响二维核心坍缩超新星模型中的激波复兴和爆炸动力学？
• RQ2 旋转和磁场在多大程度上破坏了引力波辐射中主导f/g-模频率的标准解析关系？
• RQ3 在磁旋转爆炸模型中，特别是在时频域中，会涌现出哪些独特的引力波特征？
• RQ4 在不同前体星质量及磁场/旋转条件下，引力波信号的振幅和能量含量如何比较？
• RQ5 使用当前（先进LIGO）和未来（爱因斯坦望远镜）探测器时，这些引力波信号的最大探测距离是多少？

主要发现

• 强磁场通常促进激波复兴，尽管存在例外情况，且磁场可显著改变碰撞后的动力学。
• 快速旋转增加了原中子星表面的角动量梯度，使主导f/g-模频率提高最多达20%，从而使标准解析频率关系失效。
• 在磁旋转爆炸模型中，高频辐射带明显偏离标准关系，且单一主导模态持续存在，可能为修正的f/g-模。
• 一个15 M⊙的磁旋转爆炸模型在演化超过500 ms后，显示出高频辐射减弱，且引力波波形中出现显著的高振幅尾部信号。
• 估算的最大探测距离范围为：先进LIGO为几10 kpc至140 kpc，爱因斯坦望远镜为0.6–2.6 Mpc，磁旋转模型并无显著探测性优势。
• 39 M⊙的磁旋转爆炸在本星系群范围内可能被探测到，表明每世纪约有10%的概率观测到一次超新星的引力波信号。