[论文解读] GW170817: Modeling based on numerical relativity and its implications

Masaru Shibata, Sho Fujibayashi+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 1

一句话总结

本文通过数值相对论模拟对GW170817进行建模，得出结论：并合产生了长期存在的超质量或超巨星中子星残余物。该残余物通过强中微子辐照，导致显著且高速运动的喷射物，且轻稀土元素污染程度较低，从而解释了观测到的光学与红外辐射，要求状态方程刚性，且最大质量 M_max > 2M_⊙。

ABSTRACT

Gravitational-wave observation together with a large number of electromagnetic observations shows that the source of the latest gravitational-wave event, GW170817, detected primarily by advanced LIGO, is the merger of a binary neutron star. We attempt to interpret this observational event based on our results of numerical-relativity simulations performed so far paying particular attention to the optical and infra-red observations. We finally reach a conclusion that this event is described consistently by the presence of a long-lived hypermassive or supramassive neutron star as the merger remnant, because (i) significant contamination by lanthanide elements along our line of sight to this source can be avoided by the strong neutrino irradiation from it and (ii) it could play a crucial role to produce an ejecta component of appreciable mass with fast motion in the post-merger phase. We also point out that (I) the neutron-star equation of state has to be sufficiently stiff (i.e., the maximum mass of cold spherical neutron stars, M_max, has to be appreciably higher than 2M_sun in order that a long-lived massive neutron star can be formed as the merger remnant for the binary systems of GW170817, for which the initial total mass is >~ 2.73M_sun and (II) no detection of relativistic optical counterpart suggests a not-extremely high value of M_max approximately as 2.15-2.25M_sun.

研究动机与目标

• 使用数值相对论模拟解释GW170817的多信使观测。
• 确定与光学和红外光曲线一致的并合残余物性质。
• 基于观测到的动力学特性与喷射物属性，约束中子星状态方程。
• 评估中微子辐照在降低喷射物中轻稀土元素污染中的作用。

提出的方法

• 使用双中子星并合的数值相对论模拟，对GW170817的并合后演化进行建模。
• 追踪超质量或超巨星中子星残余物的形成与稳定性。
• 分析喷射物的成分与动力学，评估其轻稀土元素含量与速度分布。
• 对中微子辐照效应进行建模，以评估其在抑制轻稀土元素生成中的作用。
• 将结果与电磁观测（特别是光学与红外光曲线）进行比较。
• 基于与观测的一致性，推导冷球形中子星的最大质量（M_max）约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 长期存在的超质量或超巨星中子星残余物是否能解释GW170817观测到的光学与红外辐射？
• RQ2 残余物产生的强中微子辐照如何影响喷射物中轻稀土元素的生成与污染？
• RQ3 缺乏相对论性光学对应体对中子星状态方程有何约束？
• RQ4 对于GW170817初始总质量约2.73M_⊙的情况，形成长期存在的残余物所需的M_max最小值是多少？
• RQ5 观测到的喷射物质量与速度分布是否与稳定、长期存在的中子星残余物一致？

主要发现

• GW170817的并合残余物最合理的解释是长期存在的超质量或超巨星中子星。
• 残余物产生的强中微子辐照抑制了轻稀土元素的生成，降低了沿我们视线方向的污染程度。
• 为维持给定初始总质量下的长期残余物，需要刚性中子星状态方程，且M_max > 2M_⊙。
• 缺乏相对论性光学对应体表明M_max并非极高，其值被约束在约2.15–2.25M_⊙之间。
• 该残余物可产生质量可观、高速运动的喷射物成分，与并合后观测结果一致。
• 该模型通过稳定、长期存在的残余物，成功调和了观测到的电磁对应体与引力波信号。