[论文解读] Resolving the fastest ejecta from binary Neutron Star mergers: implications for electromagnetic counterparts

Coleman Dean, Rodrigo Fernández+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 81被引用 19

一句话总结

本研究通过使用二维轴对称模型、共转参考系、自引力和引力波能量损失的网格基流体动力学模拟，研究了双中子星并合中高速喷射物（>0.6c）的空间分辨率依赖性。结果表明，当空间分辨率达到20米时，高速喷射物质量的收敛性在10%以内，暗示现有网格基模拟已接近收敛，不太可能产生SPH模拟中观察到的更高喷射物质量，因此差异并非源于分辨率，而可能源于物理模型或数值方法的差异。

ABSTRACT

We examine the effect of spatial resolution on initial mass ejection in grid-based hydrodynamic simulations of binary neutron star mergers. The subset of the dynamical ejecta with velocities greater than $\sim 0.6$c can generate an ultraviolet precursor to the kilonova on $\sim$hr timescales and contribute to a years-long non-thermal afterglow. Previous work has found differing amounts of this fast ejecta, by one- to two orders of magnitude, when using particle-based or grid-based hydrodynamic methods. Here we carry out a numerical experiment that models the merger as an axisymmetric collision in a co-rotating frame, accounting for Newtonian self-gravity, inertial forces, and gravitational wave losses. The lower computational cost allows us to reach spatial resolutions as high as $4$m, or $\sim 3 imes 10^{-4}$ of the stellar radius. We find that fast ejecta production converges to within $10\%$ for a cell size of $20$m. This suggests that fast ejecta quantities found in existing grid-based merger simulations are unlikely to increase to the level needed to match particle-based results upon further resolution increases. The resulting neutron-powered precursors are in principle detectable out to distances $\lesssim 200$Mpc with upcoming facilities. We also find that head-on collisions at the free-fall speed, relevant for eccentric mergers, yield fast and slow ejecta quantities of order $10^{-2}M_\odot$, with a kilonova signature distinct from that of quasi-circular mergers.

研究动机与目标

• 评估空间分辨率对网格基流体动力学模拟中双中子星并合高速喷射物（>0.6c）产生影响的影响。
• 确定网格基模拟与粒子基（SPH）模拟之间高速喷射物质量差异是否源于网格代码中分辨率不足。
• 探讨高速喷射物的电磁学影响，特别是紫外前导信号和非热余晖。
• 对自由落体速度下的正碰进行建模，以评估在偏心并合情景中的喷射物产量。

提出的方法

• 采用共转参考系中的二维轴对称流体动力学模型，以降低计算成本。
• 包含牛顿自引力、惯性力，以及引力波驱动轨道衰减的近似处理。
• 采用高达4米的空间分辨率（约中子星半径的3×10⁻⁴），显著优于以往的三维网格模拟。
• 通过改变单元大小（从4米到560米）进行数值实验，以测试高速喷射物质量的分辨率收敛性。
• 与先前的三维模拟（如Radice et al. 2018）和SPH结果（如Bauswein et al. 2013）进行比较，以评估分辨率依赖性。
• 使用FLASH代码，结合自适应网格加密，追踪速度高于0.6c的喷射物的质量和动能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在网格基模拟中，提高空间分辨率是否会显著增加双中子星并合中高速喷射物（>0.6c）的预测质量？
• RQ2 网格基与SPH模拟之间高速喷射物质量的差异是否源于网格代码中分辨率不足？
• RQ3 高分辨率动力学下，高速喷射物的电磁学特征——特别是紫外前导信号和非热余晖——是什么？
• RQ4 与准圆形并合相比，自由落体正碰中的喷射物质量和速度有何不同？
• RQ5 降维处理和近似引力波损失在多大程度上影响了高速喷射物的分辨率收敛性？

主要发现

• 当空间分辨率达到20米时，高速喷射物质量收敛至10%以内，表明现有网格基模拟已接近分辨率收敛。
• 基础模型中两个1.4 M⊙中子星产生约10⁻⁵ M⊙的高速喷射物，其质量在单元大小变化140倍的范围内变化不超过约2倍。
• 网格基与SPH模拟之间高速喷射物质量的差异不太可能通过进一步提高分辨率来解决，提示数值方法或物理模型存在根本性差异。
• 以自由落体速度进行的正碰可喷射出约10⁻² M⊙的高速和低速喷射物，产生与准圆形并合不同的千新星特征。
• 高速喷射物的动能也表现出与质量相似的分辨率依赖性，表明非热余晖预测需要更高分辨率的三维模拟。
• 该模型再现了喷射物质量随状态方程和双星总质量变化的一般趋势，尽管质量比的非单调行为与全三维模拟不同，可能源于降维处理和简化的引力波损失模型。