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Neutron star mergers: Mass ejection and the role of the nuclear equation of state

Jacobi, Maximilian (2023)
Neutron star mergers: Mass ejection and the role of the nuclear equation of state.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024781
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Binary neutron star (BNS) mergers are fascinating astrophysical events that are likely responsible for the production of about half of the heavy elements in the universe. The nuclear equation of state (EOS) plays a crucial role in the dynamics of BNS mergers. However, it is highly uncertain due to the lack of knowledge on nuclear interaction at high densities. Binary neutron star mergers emit gravitational waves (GWs) and produce an optical transient called kilonova (KN) which is powered by the radioactive decay of freshly synthesized heavy nuclei. This makes them ideal sources for multi-messenger observations providing valuable information about the dynamics of the merger and the properties of the ejected matter. By comparing the predictions of numerical simulations of BNS mergers with multi-messenger observations, it is possible to derive constraints for the EOS at high densities. This makes BNS mergers incredibly useful laboratories for studying the EOS at very high densities. The first part of this thesis investigates the influence of the EOS on BNS mergers in a systematic way. We perform three-dimensional (3D) general-relativistic hydrodynamics simulations with eight different EOS models, where we systematically vary the effective mass, incompressibility, symmetry energy, and saturation point of nuclear matter. By analyzing the relationship of these nuclear matter properties with the evolution of the merger remnant, post-merger GW signal, and ejecta, we uncover novel insights into the connection between the EOS and the outcome of BNS mergers. We find, that the deformation of the massive neutron star (NS) after the merger is related to the incompressibility, which has implications for the post-merger GW signal and mass ejection. Furthermore, we identify correlations of the tidal and shock-heated dynamical ejecta components with the incompressibility and effective mass. The second part of this work concerns long-term simulations of the accretion disk phase of BNS mergers. The largest component of the ejecta in a BNS merger originates from the post-merger accretion disk. Thus, it is necessary to perform numerical simulations for multiple seconds to obtain a complete picture of the ejected matter. However, running 3D simulations for such long times requires a huge amount of computational resources. We circumvent this issue by simulating the accretion-disk phase of the merger in two dimensions (2D) while assuming axisymmetry which greatly reduces the computational cost of the simulations. To consistently link a 2D simulation of the accretion disk to a 3D simulation of the merger, we create the 2D initial data using the configuration of the merger remnant from the 3D simulation. We describe the methods we use for the axisymmetric simulations and the creation of the initial data. Moreover, we perform several tests of these methods and discuss the results.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2023
Autor(en): Jacobi, Maximilian
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Neutron star mergers: Mass ejection and the role of the nuclear equation of state
Sprache: Englisch
Referenten: Arcones, Prof. Dr. Almudena ; Hebeler, Dr. habil. Kai
Publikationsjahr: 15 Dezember 2023
Ort: Darmstadt
Kollation: xi, 113 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 24 April 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00024781
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/24781
Kurzbeschreibung (Abstract):

Binary neutron star (BNS) mergers are fascinating astrophysical events that are likely responsible for the production of about half of the heavy elements in the universe. The nuclear equation of state (EOS) plays a crucial role in the dynamics of BNS mergers. However, it is highly uncertain due to the lack of knowledge on nuclear interaction at high densities. Binary neutron star mergers emit gravitational waves (GWs) and produce an optical transient called kilonova (KN) which is powered by the radioactive decay of freshly synthesized heavy nuclei. This makes them ideal sources for multi-messenger observations providing valuable information about the dynamics of the merger and the properties of the ejected matter. By comparing the predictions of numerical simulations of BNS mergers with multi-messenger observations, it is possible to derive constraints for the EOS at high densities. This makes BNS mergers incredibly useful laboratories for studying the EOS at very high densities. The first part of this thesis investigates the influence of the EOS on BNS mergers in a systematic way. We perform three-dimensional (3D) general-relativistic hydrodynamics simulations with eight different EOS models, where we systematically vary the effective mass, incompressibility, symmetry energy, and saturation point of nuclear matter. By analyzing the relationship of these nuclear matter properties with the evolution of the merger remnant, post-merger GW signal, and ejecta, we uncover novel insights into the connection between the EOS and the outcome of BNS mergers. We find, that the deformation of the massive neutron star (NS) after the merger is related to the incompressibility, which has implications for the post-merger GW signal and mass ejection. Furthermore, we identify correlations of the tidal and shock-heated dynamical ejecta components with the incompressibility and effective mass. The second part of this work concerns long-term simulations of the accretion disk phase of BNS mergers. The largest component of the ejecta in a BNS merger originates from the post-merger accretion disk. Thus, it is necessary to perform numerical simulations for multiple seconds to obtain a complete picture of the ejected matter. However, running 3D simulations for such long times requires a huge amount of computational resources. We circumvent this issue by simulating the accretion-disk phase of the merger in two dimensions (2D) while assuming axisymmetry which greatly reduces the computational cost of the simulations. To consistently link a 2D simulation of the accretion disk to a 3D simulation of the merger, we create the 2D initial data using the configuration of the merger remnant from the 3D simulation. We describe the methods we use for the axisymmetric simulations and the creation of the initial data. Moreover, we perform several tests of these methods and discuss the results.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Verschmelzungen von binären Neutronensternen (BNS) sind faszinierende astrophysikalische Ereignisse, die wahrscheinlich für die Produktion von etwa der Hälfte der schweren Elemente im Universum verantwortlich sind. Die nukleare Zustandsgleichung (ZG) spielt eine entscheidende Rolle bei der Dynamik von BNS-Verschmelzungen. Sie ist jedoch aufgrund mangelnder Kenntnisse über die nukleare Wechselwirkung bei hohen Dichten höchst unsicher. Binäre Neutronensternverschmelzungen senden Gravitationswellen (GW) aus und erzeugen eine optische Erscheinung namens Kilonova, die durch den radioaktiven Zerfall frisch synthetisierter schwerer Kerne angetrieben wird. Dies macht sie zu idealen Quellen für Multi-Messenger-Beobachtungen, die wertvolle Informationen über die Dynamik der Verschmelzung und die Eigenschaften der ausgestoßenen Materie liefern. Durch den Vergleich der Vorhersagen numerischer Simulationen von BNS-Verschmelzungen mit Multi-Messenger-Beobachtungen ist es möglich, Einschränkungen für die ZG bei hohen Dichten abzuleiten. Dies macht BNS-Verschmelzungen zu unglaublich nützlichen Laboratorien für die Untersuchung der ZG bei sehr hohen Dichten. Der erste Teil dieser Arbeit untersucht den Einfluss der ZG auf BNS-Verschmelzungen auf systematische Weise. Wir führen dreidimensionale (3D) allgemein-relativistische Hydrodynamiksimulationen mit acht verschiedenen ZG-Modellen durch, wobei wir systematisch die effektive Masse, Inkompressibilität, Symmetrieenergie und den Sättigungspunkt der Kernmaterie variieren. Durch die Analyse der Beziehung dieser Kernmaterieeigenschaften mit der Entwicklung des Verschmelzungsüberrests, dem GW-Signal nach der Verschmelzung und den Ejekta gewinnen wir neue Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen der ZG und dem Ergebnis von BNS-Verschmelzungen. Wir stellen fest, dass die Deformation des massere- ichen Neutronensterns nach der Verschmelzung mit der Inkompressibilität zusammenhängt, was Auswirkungen auf das GW-Signal und den Massenauswurf nach der Verschmelzung hat. Darüber hinaus identifizieren wir Korrelationen zwischen den Gezeiten- und schock-erhitzten dynamischen Ejekta-Komponenten mit der Inkompressibilität und der effektiven Masse. Der zweite Teil dieser Arbeit behandelt Langzeitsimulationen der Akkretionsscheibenphase von BNS-Verschmelzungen. Die größte Komponente der Ejekta bei einer BNS-Verschmelzung stammt aus der Akkretionsscheibe nach der Verschmelzung. Daher ist es notwendig, numerische Simulationen für mehrere Sekunden durchzuführen, um ein vollständiges Bild der ausgestoßenen Materie zu erhalten. Die Durchführung von 3D-Simulationen über so lange Zeiträume erfordert jedoch eine große Menge an Rechenressourcen. Wir umgehen dieses Problem, indem wir die Akkretionsscheibenphase der Verschmelzung in zwei Dimensionen (2D) simulieren, wobei wir Rotationssymmetrie annehmen, was die Rechenkosten der Simulationen erheblich reduziert. Um eine 2D-Simulation der Akkretionsscheibe konsistent mit einer 3D-Simulation der Verschmelzung zu verknüpfen, erstellen wir die 2D-Ausgangsdaten unter Verwendung der Konfiguration des Verschmelzungsüberrests aus der 3D-Simulation. Wir beschreiben die Methoden, die wir für die achsensymmetrischen Simulationen und die Erstellung der Ausgangsbedingungen verwenden. Außerdem führen wir mehrere Tests dieser Methoden durch und diskutieren die Ergebnisse.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-247811
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 05 Fachbereich Physik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik > Theoretische Kernphysik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik > Theoretische Kernphysik > Kernphysik und Nukleare Astrophysik
TU-Projekte: DFG|SFB1245|B07_SFB1245
DFG|SFB1245|B06_B07_SFB1245
Hinterlegungsdatum: 15 Dez 2023 13:28
Letzte Änderung: 19 Dez 2023 08:24
PPN:
Referenten: Arcones, Prof. Dr. Almudena ; Hebeler, Dr. habil. Kai
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 24 April 2023
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