Ani Kara Delik Oluşumu ile Sonuçlanan Çift Nötron Yıldız Birleşmeleri: Elektromanyetik Sinyaller ve Kilonova Işık Eğrisi Modelleri

Abstract

Bu çalışmada, çift nötron yıldızlarının birleşme simülasyonlarından elde edilen veri setleri kullanılarak kilonova ışık eğrileri incelenmiştir. Simülasyonlar, başlangıç toplam baryonik kütlesi 3.2M$_{\odot}$ olan ve kütle oranları $q=$[1.0:2.0] arasında değişen sistemler için gerçekleştirilmiştir. Nötron yıldızlarının birleşmesi sonucu sistemden atılan dinamik madde ve disk rüzgarlarının özellikleri, kilonova ışık eğrilerinin farklı hız ($v=$0.10c, 0.20c, 0.30c) varsayımlarına göre modellenmesinde temel alınmıştır. Elde edilen sonuçlar, kütle oranının artmasıyla atılan madde miktarının ve maksimum parlaklığa ulaşma süresinin arttığını, buna karşın maksimum parlaklığın özellikle kızılötesi bölgede daha yüksek değerlere ulaştığını göstermektedir. Ayrıca, mavi bölgede kısa süreli, kırmızı bölgede ise uzun süreli baskın ışınımlar yapılan simülasyonların sonucunda görülmüştür. Bu durum, nötron yıldızlarından atılan maddenin fiziksel özellikleri, opaklık ve nükleosentez süreçleri ile ilişkilendirilmiştir. Çalışma, kilonova gözlemlerinin kompakt çift sistemlerin fiziksel parametrelerini anlamada nasıl kullanılabileceğini ve nötron yıldızlarının durum denklemi gibi bilinmeyen özelliklere ışık tutabileceğini vurgulamaktadır. Gelecekteki çoklu haberci gözlemleri ve artan dedektör hassasiyeti ile bu sistemlerin fiziksel parametrelerinin daha ayrıntılı bir şekilde incelenmesi mümkün olacaktır.

Keywords

• Neutron stars merger
• kilonovae
• multimessenger astronomy
• gravitational waves
• numerical simulations
• relativity and gravitation

Supporting Institution

TÜBİTAK

Thanks

Bu çalışma KAÇ’ın doktora çalışmasının bir kısmından üretilmiştir. Bu çalışma TÜBİTAK 119F077 nolu projeler tarafından desteklenmektedir. KAÇ, 2211/A, 2211/C ve 2214/A programları tarafından burs desteği sağlanmasından dolayı TÜBİTAK’a teşekkür eder. Bu araştırmada yer alan nümerik hesaplamaların bir kısmı TÜBİTAK ULAKBİM, Yüksek Başarım ve Grid Hesaplama Merkezi’nde (TRUBA kaynaklarında) gerçekleştirilmiştir.

Binary Neutron Star Mergers Leading to Prompt Black Hole Formation: Electromagnetic Signals and Kilonova Light Curve Models

Abstract

In this study, kilonova light curves were analyzed using data obtained from the simulations of binary neutron star mergers. The simulations were performed for systems with an initial total baryonic mass of 3.2M$_{\odot}$ and mass ratios ranging from $q=$[1.0:2.0]. The properties of dynamically ejected matter and disk winds resulting from the neutron star mergers served as the basis for modeling kilonova light curves under different velocity assumptions ($v=$0.10c, 0.20c, 0.30c). The results indicate that an increase in the mass ratio leads to a larger amount of ejected matter and a longer time to reach peak brightness, while the peak brightness reaches higher values, particularly in the infrared region. Additionally, short-lived dominant emissions were observed in the blue region, whereas longer-lived emissions were observed in the red region. This behavior is linked to the physical properties of the ejected matter, opacity, and nucleosynthesis processes. The study highlights how kilonova observations can be utilized to understand the physical parameters of compact binary systems and shed light on unknown properties such as the equation of state of neutron stars. Future multimessenger observations and improved detector sensitivity will enable more detailed investigations into the physical parameters of these systems.

Keywords

• Neutron star merger
• kilonovae
• multimessenger astronomy
• gravitational waves
• numerical simulations
• relativity and gravitation

References

1. Abbott B. P., ve diğ., 2017a, Phys. Rev. Lett., 119
2. Abbott B. P., ve diğ., 2017b, ApJ, 848, L12
3. Abbott B. P., ve diğ., 2019, Phys. Rev. Lett., 123, 011102
4. Baiotti L., Rezzolla L., 2017, Reports on Progress in Physics, 80, 096901
5. Bozzola G., 2021, The Journal of Open Source Software, 6, 3099
6. Brandt S. R., ve diğ., 2021, The Einstein Toolkit, Zenodo, doi:10.5281/zenodo.5770803
7. Fernández R., Metzger B. D., 2016, Annual Review of Nuclear and Particle Science, 66, 23
8. Kasen D., Metzger B., Barnes J., Quataert E., Ramirez-Ruiz E., 2017, Nature, 551, 80

9. Kawaguchi K., Kyutoku K., Shibata M., Tanaka M., 2016, arXiv, 825, 52
10. Löffler F., ve diğ., 2012, Classical and Quantum Gravity, 29, 115001
11. Metzger B. D., 2019, Annals of Physics, 410, 167923
12. Metzger B. D., ve diğ., 2010, MNRAS, 406, 2650
13. Patricelli B., Bernardini M. G., 2020, arXiv
14. Perego A., Rosswog S., Cabezon R. M., Korobkin O., Kappeli R., Arcones A., Liebendorfer M., 2014, MNRAS, 443, 3134
15. Perego A., ve diğ., 2020, arXiv
16. Perego A., Thielemann F. K., Cescutti G., 2022, r-Process Nucleosynthesis from Compact Binary Mergers. Springer Nature Singapore, Singapore, pp 555–610, doi:10.1007/978-981-16- 4306-4_13, https://doi.org/10.1007/978-981 16-4306-4_ 13
17. Radice D., Perego A., Hotokezaka K., Fromm S. A., Bernuzzi S., Roberts L. F., 2018, ApJ, 869, 130
18. Rastinejad J. C., ve diğ., 2022, Nature, 612, 223
19. Ricigliano G., Perego A., Borhanian S., Loffredo E., Kawaguchi K., Bernuzzi S., Lippold L. C., 2024, MNRAS, 529, 647
20. Tanaka M., Hotokezaka K., 2013, ApJ, 775, 113
21. The LIGO Scientific Collaboration ve diğ., 2018, Phys. Rev. Lett., 121, 161101
22. Çokluk K. A., 2021, Master’s thesis, University of Ege
23. Çokluk K. A., Yakut K., Giacomazzo B., 2023, Turkish J.A&A, 4, 34
24. Çokluk K. A., Yakut K., Giacomazzo B., 2024, MNRAS, 527, 8043