[论文解读] Gravitational Waves and Hydromagnetic Instabilities in Rotating Magnetized Neutron Stars

P. D. Lasky, Burkhard Zink+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2012

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 7被引用 15

一句话总结

本研究利用非线性广义相对论磁流体动力学模拟，研究了旋转、磁化中子星中的磁场不稳定性及引力波辐射。研究发现，磁星耀发引起的f模引力波在当前观测设备下无法探测，但阿尔芬波——尤其是阻尼时间较长的阿尔芬波——可能是有希望的候选信号，其应变与质量平方和半径五次方成正比。

ABSTRACT

We perform nonlinear general relativistic ideal magnetohydrodynamic simulations of poloidal magnetic fields in rotating polytropic neutron stars. We have three primary goals: i) to understand the nature of magnetohydrodynamic instabilities inherent to poloidal magnetic fields in non-rotating and rotating neutron stars, ii) to explore the possible space of stable equilibrium configurations and iii) to understand gravitational wave emissions caused by the catastrophic reconfiguration of magnetic fields associated with giant magnetar flares. Our key physical contributions can be summarized as follows: i) gravitational waves from f-modes caused by magnetar flares are unlikely to be detected in the current or near-future generation of gravitational waves observatories, ii) gravitational waves from Alfven waves propagating inside the neutron star are more likely candidates, although this interpretation relies on the unknown damping time of these modes, iii) any magnetic field equilibria derived from our simulations are characterized as non-axisymmetric, with approximately 65% of their magnetic energy in the poloidal field, iv) rotation acts to separate the timescales of different instabilities in our system, with the varicose mode playing a more major role due to a delayed kink instability and v) despite the slowing growth rate of the kink mode, it is always present in our simulations, even for models where the rotational period is of the same order as the Alfven timescale.

研究动机与目标

• 理解在广义相对论框架下，旋转与非旋转中子星中极向磁场的磁流体动力学不稳定性。
• 探索中子星中磁场稳定平衡构型的空间，特别是非轴对称平衡构型。
• 评估由模拟巨大磁星耀发的灾难性磁场重连引起的引力波辐射。
• 通过引入旋转和多种多物态方程，扩展先前关于引力波可探测性的研究结果。
• 评估阿尔芬波与f模的可探测性，强调阻尼时间与恒星参数的作用。

提出的方法

• 使用horizon代码对旋转多物态中子星进行三维非线性广义相对论理想磁流体动力学（GRMHD）模拟。
• 施加初始极向磁场，并演化系统以研究不稳定性增长与磁场重连过程。
• 采用从Γ = 1.67到Γ = 2.46的多种多物态方程，以探索质量-半径关系。
• 通过计算振荡模态（特别是f模和阿尔芬波）的应变振幅，分析引力波辐射。
• 推导出引力波应变的解析表达式（公式18和20），其与磁场强度、质量、半径和距离相关。
• 通过将信号振幅与当前及未来探测器（包括爱因斯坦望远镜）的灵敏度曲线比较，评估可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有极向磁场的旋转磁化中子星中，主导的磁流体动力学不稳定性是什么？
• RQ2 旋转如何影响中子星磁场中纽结模和波状模不稳定的时标与增长率？
• RQ3 在模拟巨大磁星耀发的磁场重连后，f模振荡产生的引力波应变振幅是多少？
• RQ4 阿尔芬波信号的可探测性如何依赖于其阻尼时间与恒星参数？
• RQ5 在真实的中子星模型中，引力波应变与质量、半径和磁场强度的依赖关系如何？

主要发现

• 由模拟磁星耀发引起的f模引力波，不太可能被当前或近期的引力波观测台探测到。
• 阿尔芬波辐射是更具前景的探测候选，特别是当其阻尼时间超过1秒时，因为信号振幅与信号持续时间的平方根成正比。
• 引力波应变振幅近似与中子星半径的五次方和质量的平方成正比，且对极向磁场强度有强烈依赖。
• 所有模拟的平衡构型均为非轴对称，约65%的磁能位于极向分量，表明纯极向磁场本身具有内在不稳定性。
• 旋转会延迟纽结不稳定的出现，但不会抑制它；当旋转与阿尔芬时间标度相当时，纽结模仍保持活跃。
• 波状模主导了不稳定性演化，因为纽结模的增长被延迟，凸显了旋转在分离不稳定时间标度中的作用。