Developing numerical-relativity codes for high-precision computations of gravitational waves toward third-generation gravitational-wave detectors

开发数值相对论代码，用于第三代引力波探测器的高精度引力波计算

• 批准号: 22K03617
• 负责人: 久徳 浩太郎
• 金额: $ 2.5万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K03617/
• 关键词: 宇宙物理; 重力波; 相対論; 中性子星; ブラックホール; 数値相対論

当初計画していた通り、一般化区分的ポリトロープを数値相対論コードに実装し、問題なく安定に動くように整備した。従来の区分的ポリトロープよりも高い収束性を示すかについてもいくつかの数値実験を行い、残念ながら今のところ精度の改善は限定的にとどまる様子であるが、さらに広く解像度を変えた計算によって慎重に比較することも検討している。一方、今年度は中性子星物質が引き起こすであろうクォーク・ハドロンクロスオーバーが連星中性子星合体にもたらす影響の研究を行なっており、その際に従来の区分的ポリトロープでは厳密には音速が不連続になっていて相転移とも捉えられてしまうという懸念があった。この問題は一般化区分的ポリトロープにより克服できるため、その準備的なシミュレーションを行なっており、科学的成果につながる見込みを得ている。今後はこちらへの応用も進めていく予定である。もう一つの計画であったHLLC法は、共同研究者が別のプロジェクトで実装を行い、流体現象の追跡において諸々の改善が見られた。これが収束性の改善や高精度の重力波計算につながるかはまだ未知の部分があるため、今後は連携して取り組んでいこうと考えている。他に、連星の合体後にブラックホールを取り囲む降着円盤ができた場合など、ブラックホール時空が摂動を受けた際に本当に準固有振動と呼ばれる重力波が放射されるのかを、解析的手法に基づいて検討した。これは準固有振動は摂動によって容易に不安定化するという議論を受けてのもので、準固有振動が確認される連星合体シミュレーションとの整合性が理論的に未解決であったが、散乱問題の手法を応用することに寄ってなんら矛盾がないことを確認した。

按照最初的计划，我们在数值相对论代码中实现了广义分段多变性，并使其稳定运行，没有出现任何问题。我们还进行了几次数值实验，看看它是否比传统的分段多变体表现出更高的收敛性，不幸的是，到目前为止，精度的提高似乎有限，但我们可以通过更广泛的分辨率的计算来小心地提高精度。考虑比较另一方面，今年我们正在研究中子星物质引起的夸克-强子交叉对双中子星并合的影响，在这个过程中，我们将研究夸克-强子的影响。双中子星合并时由中子星材料引起的交叉有人担心这可能被解释为相变。这个问题可以通过使用广义分段多变体来解决，因此我们正在对这个问题进行初步模拟，这有可能产生科学结果。未来，我们也计划应用这种方法。 HLLC 方法是另一个计划，由合作者在另一个项目中实施，并在跟踪流体现象方面显示出各种改进。目前尚不清楚这是否会导致收敛性的提高或高精度的引力波计算，因此我们计划在未来共同努力。此外，基于分析方法，我们正在研究当黑洞时空受到扰动时，例如当双星合并后形成黑洞周围的吸积盘时，是否真的会发出被称为准本征振荡的引力波。我考虑过。这是针对准本征振荡很容易因扰动而失稳的论点，虽然理论上尚未解决与确认准本征振荡的双星并合模拟的一致性，但散射实验已证实不存在矛盾。应用相关方法。

项目成果

Comprehensive Study of Mass Ejection and Nucleosynthesis in Binary Neutron Star Mergers Leaving Short-lived Massive Neutron Stars

双中子星合并留下短命大质量中子星中质量抛射和核合成的综合研究

• DOI: 10.3847/1538-4357/ac9ce0
• 发表时间: 2023
• 作者: Fujibayashi Sho;Kiuchi Kenta;Wanajo Shinya;Kyutoku Koutarou;Sekiguchi Yuichiro;Shibata Masaru
• 通讯作者: Shibata Masaru

重力波天文学と状態方程式の制限

引力波天文学和状态方程的局限性

• 发表时间: 2022
• 作者: 久徳浩太郎

Gravitational Wave Signal for Quark Matter with Realistic Phase Transition

具有真实相变的夸克物质的引力波信号

• DOI: 10.1103/physrevlett.130.091404
• 发表时间: 2023
• 影响因子: 8.6
• 作者: Fujimoto Yuki;Fukushima Kenji;Hotokezaka Kenta;Kyutoku Koutarou
• 通讯作者: Kyutoku Koutarou

General-relativistic neutrino-radiation magnetohydrodynamic simulation of seconds-long black hole-neutron star mergers

几秒长的黑洞-中子星合并的广义相对论中微子辐射磁流体动力学模拟

• DOI: 10.1103/physrevd.106.023008
• 发表时间: 2022
• 影响因子: 5
• 作者: Hayashi Kota;Fujibayashi Sho;Kiuchi Kenta;Kyutoku Koutarou;Sekiguchi Yuichiro;Shibata Masaru
• 通讯作者: Shibata Masaru

フロリダ・アトランティック大学/ワシントン大学(米国)

佛罗里达大西洋大学/华盛顿大学（美国）