[论文解读] Simulating bulk viscosity in neutron stars. II. Evolution in spherical symmetry

Giovanni Camelio, Lorenzo Gavassino+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 4

一句话总结

本研究使用新型一维、广义相对论流体动力学代码 hydro-bulk-1D，比较了中子星中多组分流体、Hiscock-Lindblom 和 Maxwell-Cattaneo 模型的体积黏滞系数。结果表明，对于小扰动和单一体积分额系统，体积应力模型能良好近似多组分流体行为；然而，反应发光度对动力学的影响占主导地位，因此在精确模拟中必须包含体积应力项。

ABSTRACT

Out-of-equilibrium reactions between different particle species are the main processes contributing to bulk viscosity in neutron stars. In this work, we numerically compare three different approaches to the modeling of bulk viscosity: the multi-component fluid with reacting particle species and two bulk stress formalism based on the Müller-Israel-Stewart theory, namely the Hiscock-Lindblom and the Maxwell-Cattaneo models, whose flux-conservative formulation in radial gauge-polar slicing coordinates and spherical symmetry is derived in a companion paper. To our knowledge, this is the first time that a neutron star is simulated with the complete Hiscock-Lindblom model of bulk viscosity. We find that the Hiscock-Lindblom and Maxwell-Cattaneo models are good approximations of the multi-component fluid for small perturbations and when the non-equilibrium equation of state of the fluid depends on only one independent particle fraction. For more than one independent particle fraction and for large perturbations, the bulk stress approximation is still valid but less accurate. In addition, we include the energy loss due to the luminosity of the reactions in the bulk stress formulation. We find that the energy loss due to bulk viscosity has a larger effect on the dynamics than the bulk stress or the variation in particle composition per se. The new one-dimensional, general-relativistic hydrodynamic code developed for this work, hydro-bulk-1D, is publicly available.

研究动机与目标

• 比较三种建模中子星体积黏滞系数的方法：多组分流体、Hiscock-Lindblom 和 Maxwell-Cattaneo 公式。
• 评估在多种条件下（包括多粒子分数和大扰动）体积应力近似（Müller-Israel-Stewart 理论）的有效性和准确性。
• 首次在中子星模拟中实现并验证球对称下的完整 Hiscock-Lindblom 模型。
• 研究在体积应力公式中反应发光度对中子星动力学的影响。
• 开发并公开发布 hydro-bulk-1D，一款用于模拟体积黏滞系数效应的一维、广义相对论流体动力学代码。

提出的方法

• 开发了 hydro-bulk-1D，一款新型一维、广义相对论流体动力学代码，采用径向坐标极化切片坐标下的通量守恒体积黏滞公式。
• 在 Müller-Israel-Stewart 框架下，于球对称中实现了完整的 Hiscock-Lindblom 模型和 Maxwell-Cattaneo 模型的体积黏滞系数。
• 在多组分流体方法中追踪粒子种类及其反应（直接和修改的 Urca 反应），以模拟非平衡过程。
• 首次将反应发光度纳入体积应力公式，考虑粒子反应导致的能量损失。
• 使用附录 C 推导的相对论线性阻尼时间公式，分析不同区域的振荡行为。
• 通过已知的多组分流体与体积应力模型之间的对应关系（Gavassino 等，2021）验证结果，尤其在冻结、准稳态和中间区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 Hiscock-Lindblom 和 Maxwell-Cattaneo 体积应力模型在多组分流体中反应粒子种类的中子星动力学中，其近似精度如何？
• RQ2 在体积应力公式中包含反应发光度对中子星整体演化和温度分布的影响是什么？
• RQ3 当存在多个独立粒子分数或大扰动时，体积应力模型的准确性如何退化？
• RQ4 与 Maxwell-Cattaneo 模型相比，在球对称中实现 Hiscock-Lindblom 模型时面临哪些数值挑战？
• RQ5 在何种参数区域内，多组分流体方法相较于体积应力模型在模拟中子星体积黏滞系数方面更具优势？

主要发现

• Hiscock-Lindblom 和 Maxwell-Cattaneo 模型在小扰动以及状态方程仅依赖于一个独立粒子分数时，能准确近似多组分流体行为。
• 对于存在多个独立粒子分数或大扰动的系统，体积应力近似仍保持定性正确，但因弛豫时间近似失效而失去定量准确性。
• 在体积应力公式中包含反应发光度对中子星动力学的影响大于体积应力本身，因其降低温度并延迟热平衡。
• 在剧烈、远离平衡的动力学中，体积黏滞的最大影响是间接的：反应导致的能量损失使流体保持远离平衡状态，从而延长非平衡行为。
• 由于源项中涉及表面趋于零的量且多一阶导数，Hiscock-Lindblom 模型的数值噪声大于 Maxwell-Cattaneo 模型。
• 当系统被强烈驱动远离平衡或涉及多种化学物质时，多组分流体方法比 Müller-Israel-Stewart 模型更具鲁棒性且数值实现更简单。