[论文解读] Relativistic Studies of Close Neutron Star Binaries

Grant J. Mathews, Pedro Marronetti+1 more|ArXiv.org|Oct 21, 1997

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 3

一句话总结

本文利用共形平坦的空间3度量求解广义相对论场方程，对具有3+1维的致密中子星双星系统进行了全般相对论流体动力学模拟。主要发现包括：相对论性压缩与加热、近乎零自旋弛豫、黑洞形成，以及相较于后牛顿或弱场模型预测的更低频轨道衰减，对引力波探测具有重要意义。

ABSTRACT

We discuss (3+1) dimensional general relativistic hydrodynamic simulations of close neutron star binary systems. The relativistic field equations are solved at each time slice with a spatial 3-metric chosen to be conformally flat. Against this solution the hydrodynamic variables and gravitational radiation are allowed to respond. We have studied four physical processes which occur as the stars approach merger. These include: 1) the relaxation to a hydrodynamic state of almost no spin; 2) relativistically driven compression, heating, and neutrino emission; 3) collapse to two black holes; and 4) orbit inspiral occurring at a lower frequency than previously expected. We give a brief account of the physical origin of these effects and an explanation of why they do not appear in models based upon, 1PN hydrodynamics, a weak field multipole expansion, a tidal analysis, or a rigidly corotating velocity field. The implication of these results for gravity wave detectors is also discussed.

研究动机与目标

• 使用完整的广义相对论流体动力学模拟致密中子星双星的晚期动力学过程。
• 研究在接近并合过程中压缩、加热及中微子辐射等物理过程。
• 理解基于后牛顿、弱场或刚性共转近似模型为何无法捕捉关键的相对论效应。
• 探讨这些模拟对引力波探测的影响，特别是波形与并合特征方面。

提出的方法

• 采用(3+1)维广义相对论流体动力学模拟中子星双星的演化过程。
• 在每个时间步长求解相对论场方程，使用共形平坦的空间3度量以简化爱因斯坦方程。
• 允许流体动力学变量与引力辐射动态响应于不断演化的时空几何。
• 通过四个关键物理过程追踪系统演化：自旋弛豫、相对论性压缩与加热、黑洞坍缩、轨道衰减。
• 将结果与1PN流体动力学、弱场多极展开、潮汐分析及刚性共转速度场的预测进行对比。
• 利用模拟输出评估此类系统产生的引力波的可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当应用完整广义相对论时，致密中子星双星中会涌现出哪些超越后牛顿或弱场近似的物理过程？
• RQ2 为何标准模型无法再现如自旋弛豫和增强压缩等观测到的动力学行为？
• RQ3 相对论模拟中的轨道衰减频率与1PN或弱场模型的预测相比如何？
• RQ4 中微子辐射与加热在双中子星并合最终阶段扮演何种角色？
• RQ5 模拟得到的波形与并合动力学如何影响当前及未来探测器对引力波的可探测性？

主要发现

• 模拟揭示了强烈的流体动力学弛豫，自旋几乎完全消失，与刚性共转模型的假设相反。
• 相对论性压缩导致显著加热与增强的中微子发射，这些效应在弱场或1PN处理中均不存在。
• 在某些情况下，系统直接坍缩为两个黑洞，这一现象在非相对论或后牛顿模型中无法捕捉。
• 轨道衰减发生的频率低于先前预期，表明与标准后牛顿预测存在偏差。
• 这些效应源于广义相对论的完整非线性性，无法通过潮汐分析或多极展开描述。
• 结果表明，引力波探测器必须考虑这些相对论效应，才能准确识别中子星并合产生的信号。