[论文解读] Projecting the likely importance of weak-interaction-driven bulk viscosity in neutron star mergers

Elias R. Most, Steven P. Harris+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 146被引用 94

一句话总结

本研究预测了由费米子过程引起的弱相互作用驱动的体积黏滞系数对中子星并合引力波信号的影响。通过后处理一个非耗散的等质量双中子星并合模拟，发现体积黏滞系数在并合晚期的旋近阶段可忽略不计，但在并合后阶段可能具有动力学显著性，尤其是在高温、高密度区域，可能抑制并合后的振荡并改变波形，这一推测得到了与相对论重离子碰撞对比结果的支持。

ABSTRACT

In this work, we estimate how much bulk viscosity driven by Urca processes is likely to affect the gravitational wave signal of a neutron star coalescence. In the late inspiral, we show that bulk viscosity affects the binding energy at fourth post-Newtonian (PN) order. Even though this effect is enhanced by the square of the gravitational compactness, the coefficient of bulk viscosity is likely too small to lead to observable effects in the waveform during the late inspiral, when only considering the orbital motion itself. In the post-merger, however, the characteristic time-scales and spatial scales are different, potentially leading to the opposite conclusion. We post-process data from a state-of-the-art equal-mass binary neutron star merger simulation to estimate the effects of bulk viscosity (which was not included in the simulation itself). In that scenario, we find that bulk viscosity can reach high values in regions of the merger. We compute several estimates of how much it might directly affect the global dynamics of the considered merger scenario, and find that it could become significant. Even larger effects could arise in different merger scenarios or in simulations that include non-linear effects. This assessment is reinforced by a quantitative comparison with relativistic heavy-ion collisions where such effects have been explored extensively.

研究动机与目标

• 评估弱相互作用驱动的体积黏滞系数对中子星并合引力波信号的潜在影响。
• 评估由热密物质中费米子过程引起的体积黏滞系数是否可能改变并合后的动力学与波形。
• 量化体积黏滞系数相对于其他耗散效应（如剪切黏滞系数）的重要性。
• 探索体积黏滞系数是否可作为探测热密核物质非平衡性质的新探针。
• 识别体积黏滞系数在并合残余物中可能变得动力学显著的条件。

提出的方法

• 后处理最先进的非耗散等质量双中子星并合模拟数据，以估算体积黏滞系数的影响。
• 使用现象学上合理的状态方程（EoS），重点研究温度与密度依赖性，计算体积黏滞系数。
• 估算有效逆雷诺数，以评估体积黏滞系数相对于无黏性动力学的阻尼效率。
• 将中子星并合中的体积黏滞系数比与相对论重离子碰撞中的进行比较，后者中此类效应已有充分研究。
• 在亚热区采用线性响应近似估算体积黏滞系数，假设小振幅振荡。
• 分析并合残余物中体积黏滞系数的空间与时间演化，识别其可能达到峰值的区域与阶段。

实验结果

研究问题

• RQ1 在中子星并合的晚期旋近阶段，弱相互作用驱动的体积黏滞系数有多显著？
• RQ2 在并合后演化过程的哪些区域与阶段，体积黏滞系数变得动力学相关？
• RQ3 体积黏滞系数是否能显著抑制并合后的振荡并改变引力波信号？
• RQ4 中子星并合中的体积黏滞系数比与相对论重离子碰撞中的相比如何？
• RQ5 非线性或反作用效应对并合动力学中体积黏滞系数的潜在影响是什么？

主要发现

• 在并合晚期旋近阶段，体积黏滞系数可忽略不计，仅在四阶后牛顿阶影响结合能，且不会在引力波形中留下可观测印记。
• 在并合后阶段，体积黏滞系数在高温、高密度区域可达到极高值——高达约~10^11 Pa·s，尤其在残余物外侧膨胀区域。
• 体积黏滞系数的有效逆雷诺数估算为(3.0 ± 1.5) × 10⁻³，表明其相对于无黏性动力学具有不可忽视的阻尼贡献。
• 中子星并合中的体积黏滞系数比与相对论重离子碰撞中的相当，表明可能存在非线性放大效应，并对流体结构产生显著影响。
• 在外向运动、低密度区域存在显著的体积黏滞系数，表明其可能影响早期质量抛射与超质量中子星的寿命。
• 非线性效应（如体积黏滞加热与温度依赖的黏滞系数）可能进一步放大其影响，其在抑制并合后振荡方面的作用可能与剪切黏滞系数相匹敌。