General Relativistic Simulations of Binary Neutron Star Mergers: Prompt Black Hole Formation

Abstract

In this study, we investigate the impacts of the initial mass of the system on the equal mass binary neutron star defined piecewise polytropic EOS by using open source codes Einstein Toolkit and Lorene. We restrict ourselves to systems with total baryonic mass 3.2, 3.4, 3.6 and 3.8 M⊙. We extract gravitational waveform, which contains an inspiral and post-merger stage and discuss if gravitational wave detectors may observe our models. The results show all of our models collapse promptly into a BH before 1 ms. Finally, the parameters obtained as a result of the simulations are discussed.

Keywords

• Gravitational-wave astrophysics
• binary neutron stars
• numerical simulations
• relativity and gravitation

Çift Nötron Yıldız Birleşmelerinin Genel Görelilik Simülasyonu: Hızlı Kara Delik Oluşumu

Öz

Bu çalışmada açık kaynak kodlu Einstein Toolkit ve Lorene paket programları kullanılarak parçalı politropik hal denklemi ile tanımlanmış eş kütleli nötron yıldız çiftlerinin simülasyonları aracılığıyla sistemin başlangıç toplam kütlesinin etkisi araştırılmıştır. Sistemlerin toplam baryonik kütleleleri 3.2, 3.4, 3.6 ve 3.8 M⊙olarak ele alınmıştır. Birleşmenin öncesi ve sonrasını içeren gravitasyonel dalga formu elde edilmiş ve sistemlerin gravitasyonel dalga dedektörleri ile gözlenip gözlenemeyeceği tartışılmıştır. Yapılan simülasyonlar sonucunda tüm modellerimizin birleşme sonrasında 1 ms’den daha kısa bir süre içerisinde kara deliğe çöktüğü görülmüştür. Son olarak, sistemlere ilişkin simülasyonlar sonucunda elde edilen parametreler tartışılmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Gravitasyonel-dalga astrofiziği
• Çift nötron yıldızları
• nümerik simülasyonlar
• Görelilik ve gravitasyon

References

1. Abbott B. P., et al., 2016, Physical Review Letters, 116
2. Abbott B. P., et al., 2017a, Physical Review Letters, 119
3. Abbott B. P., et al., 2017b, The Astrophysical Journal, 848, L12
4. Abbott B. P., et al., 2017c, The Astrophysical Journal, 848, L13
5. Abbott B. P., et al., 2019, Phys. Rev. X, 9, 031040
6. Abbott B. P., et al., 2020, The Astrophysical Journal, 892, L3
7. Abbott R., et al., 2021, Phys. Rev. X, 11, 021053
8. Alcubierre M., Brügmann B., Dramlitsch T., Font J. A., Papadopoulos P., Seidel E., Stergioulas N., Takahashi R., 2000, Physical Review D, 62

9. Arnowitt R., Deser S., Misner C. W., 1959, Phys. Rev., 116, 1322
10. Arnowitt R., Deser S., Misner C. W., 2008, General Relativity and Gravitation, 40, 1997
11. Baiotti L., Rezzolla L., 2017, Reports on Progress in Physics, 80, 096901
12. Baiotti L., Hawke I., Montero P. J., Löffler F., Rezzolla L., Stergioulas N., Font J. A., Seidel E., 2005, Physical Review D, 71
13. Baumgarte T. W., Shapiro S. L., 1998, Phys. Rev. D, 59, 024007
14. Carpet: Adaptive Mesh Refinement for the Cactus Framework
15. Colella P., Woodward P. R., 1984, Journal of Computational Physics, 54, 174
16. Çokluk K., 2021, Master’s thesis, University of Ege
17. Çokluk K., Giacomazzo B., Yakut K., in prep, 2023
18. De Pietri R., Feo A., Maione F., Löffler F., 2016, Physical Review D, 93
19. Dietrich T., Ujevic M., Tichy W., Bernuzzi S., Brügmann B., 2017, Physical Review D, 95
20. Dietrich T., Bernuzzi S., Brügmann B., Ujevic M., Tichy W., 2018, Phys. Rev. D, 97, 064002
21. Douchin F., Haensel P., 2001, Astronomy & Astrophysics, 380, 151–167
22. East W. E., Paschalidis V., Pretorius F., Shapiro S. L., 2016, Physical Review D, 93
23. Einstein A., 1915, Sitzungsberichte Preußische Akademie der Wissenschaften Berlin
24. Einstein A., 1916, Annalen der Physik, 354, 769
25. Einstein A., 1918, Sitzungsberichte Preußische Akademie der Wissenschaften Berlin
26. Einstein Toolkit, Einstein Toolkit: Open software for relativistic astrophysics
27. Fujibayashi S., Sekiguchi Y., Kiuchi K., Shibata M., 2017, The Astrophysical Journal, 846, 114
28. Giacomazzo B., Rezzolla L., Baiotti L., 2011, Phys. Rev. D, 83,044014
29. Gourgoulhon E., Grandclément P., Taniguchi K., Marck J.-A., Bonazzola S., 2001, Physical Review D, 63
30. Hawke I., Löffler F., Nerozzi A., 2005, Physical Review D, 71
31. Hotokezaka K., Kyutoku K., Okawa H., Shibata M., 2015, Phys. Rev. D, 91, 064060
32. Kiuchi K., Kyutoku K., Sekiguchi Y., Shibata M., Wada T., 2014,Phys. Rev. D, 90, 041502
33. LORENE, http://www.lorene.obspm.fr/
34. Lattimer J. M., 2012, Annual Review of Nuclear and Particle Science,62, 485
35. Löffler F., et al., 2012, Classical and Quantum Gravity, 29, 115001
36. Mösta P., et al., 2013, Classical and Quantum Gravity, 31, 015005
37. Nakamura T., Oohara K., Kojima Y., 1987, Progress of Theoretical Physics Supplement, 90, 1
38. Newman E., Penrose R., 1962, Journal of Mathematical Physics, 3,566
39. Parma Gravity group, https://einstein.pr.infn.it/gravity/index.html
40. Shibata M., 1999, Phys. Rev. D, 60, 104052
41. Shibata M., Nakamura T., 1995, Phys. Rev. D, 52, 5428
42. Shibata M., Uryu K. b. o., 2000, ¯ Phys. Rev. D, 61, 064001
43. The LIGO Scientific Collaboration et al., 2021, preprint,(arXiv:2111.03606), ADS
44. Troja E., et al., 2017, Nature, 551, 71
45. Tsatsin P., Marronetti P., 2013, Phys. Rev. D, 88, 064060