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Exploring thermal effects in neutron star mergers

Blacker, Sebastian (2024)
Exploring thermal effects in neutron star mergers.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026530
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

In this work, we perform neutron star merger simulations with equation of state (EoS) models containing nucleonic, hyperonic or deconfined quark matter. In particular, we focus on the different behavior of hyperonic and deconfined quark matter phases at finite temperatures compared to purely nucleonic neutron star material and explore the impact on the resulting gravitational-wave (GW) signal. Both hyperons and deconfined quarks are hypothesized to be present at high densities in neutron stars. However, current observations and theoretical calculations are inconclusive. Therefore, the true composition of neutron star cores remains unknown. To investigate the impact of hyperons on neutron star mergers, we perform the first comprehensive study with several different available hyperonic EoSs. At finite temperatures, more hyperons are produced, therefore lowering the degeneracy pressure of nucleons. We find that this reduced pressure in hot hyperonic material results in a characteristic increase of the dominant postmerger GW frequency up to about 150 Hz compared to purely nucleonic matter. This frequency shift can be directly linked to the presence of hyperons. Although the effect is weak, it could serve as an observational indication of hyperons in the future. Our finding is particularly relevant as mass-radius relations of cold hyperonic stars may be indistinguishable from nucleonic stars. When employing models with a transition to deconfined quark matter, so-called hybrid models, we find that thermal effects can significantly influence the structure of the neutron star merger remnant. For the hybrid EoS sample we consider, this can be attributed to the shift of the quark-hadron phase boundaries at finite temperatures, which strongly reduces the pressure compared to cold matter. We explicitly show that if this change of phase boundaries is not taken into account, the dominant gravitational-wave frequencies can be underestimated by several hundred Hz. Additionally, we devise an effective description to incorporate the effects of shifting phase boundaries to supplement cold EoSs with a Maxwell-type phase transition, i.e. two distinct phases connected by a flat coexistence region. We validate our model by comparing results to our fully temperature-dependent hybrid EoS sample and find very good agreement in the postmerger GW frequencies. We then explore the impact varying phase boundaries have for a fixed, cold EoS. Our findings suggest that for hybrid models, the shape of the phase boundaries can have a strong impact on merger observables such as GW frequencies and the prompt collapse of the remnant to a black hole. We also show explicitly that it is even possible for deconfined quark matter to only occur in finite temperature systems like merger remnants but not in cold, isolated stars. This demonstrates that postmerger GWs contain important information on the underlying EoS complementary to observations from individual NSs. Future detections of GWs from binary NS mergers hence have the potential to shed light on the presence of hyperons and deconfined quark matter in neutron star material and provide information on the phase diagram of quantum chromodynamics in addition to constraints from terrestrial experiments.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2024
Autor(en): Blacker, Sebastian
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Exploring thermal effects in neutron star mergers
Sprache: Englisch
Referenten: Bauswein, PD Dr. Andreas ; Martínez-Pinedo, Prof. Dr. Gabriel
Publikationsjahr: 5 Juni 2024
Ort: Darmstadt
Kollation: xii, 119 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 13 Mai 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00026530
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/26530
Kurzbeschreibung (Abstract):

In this work, we perform neutron star merger simulations with equation of state (EoS) models containing nucleonic, hyperonic or deconfined quark matter. In particular, we focus on the different behavior of hyperonic and deconfined quark matter phases at finite temperatures compared to purely nucleonic neutron star material and explore the impact on the resulting gravitational-wave (GW) signal. Both hyperons and deconfined quarks are hypothesized to be present at high densities in neutron stars. However, current observations and theoretical calculations are inconclusive. Therefore, the true composition of neutron star cores remains unknown. To investigate the impact of hyperons on neutron star mergers, we perform the first comprehensive study with several different available hyperonic EoSs. At finite temperatures, more hyperons are produced, therefore lowering the degeneracy pressure of nucleons. We find that this reduced pressure in hot hyperonic material results in a characteristic increase of the dominant postmerger GW frequency up to about 150 Hz compared to purely nucleonic matter. This frequency shift can be directly linked to the presence of hyperons. Although the effect is weak, it could serve as an observational indication of hyperons in the future. Our finding is particularly relevant as mass-radius relations of cold hyperonic stars may be indistinguishable from nucleonic stars. When employing models with a transition to deconfined quark matter, so-called hybrid models, we find that thermal effects can significantly influence the structure of the neutron star merger remnant. For the hybrid EoS sample we consider, this can be attributed to the shift of the quark-hadron phase boundaries at finite temperatures, which strongly reduces the pressure compared to cold matter. We explicitly show that if this change of phase boundaries is not taken into account, the dominant gravitational-wave frequencies can be underestimated by several hundred Hz. Additionally, we devise an effective description to incorporate the effects of shifting phase boundaries to supplement cold EoSs with a Maxwell-type phase transition, i.e. two distinct phases connected by a flat coexistence region. We validate our model by comparing results to our fully temperature-dependent hybrid EoS sample and find very good agreement in the postmerger GW frequencies. We then explore the impact varying phase boundaries have for a fixed, cold EoS. Our findings suggest that for hybrid models, the shape of the phase boundaries can have a strong impact on merger observables such as GW frequencies and the prompt collapse of the remnant to a black hole. We also show explicitly that it is even possible for deconfined quark matter to only occur in finite temperature systems like merger remnants but not in cold, isolated stars. This demonstrates that postmerger GWs contain important information on the underlying EoS complementary to observations from individual NSs. Future detections of GWs from binary NS mergers hence have the potential to shed light on the presence of hyperons and deconfined quark matter in neutron star material and provide information on the phase diagram of quantum chromodynamics in addition to constraints from terrestrial experiments.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

In dieser Arbeit simulieren wir Verschmelzungen von Neutronensternen mit Zustandsgleichungsmodellen, welche nukleonische, hyperonische oder freie Quarkmaterie enthalten. Insbesondere legen wir den Fokus auf das unterschiedliche Verhalten von Materiephasen mit Hyperonen und freien Quarks bei endlichen Temperaturen im Vergleich zu rein nukleonischer Neutronensternmaterie und untersuchen den Einfluss auf die resultierenden Gravitationswellen. Sowohl Hyperonen als auch freie Quarkmaterie tauchen möglicherweise bei hohen Dichten in Neutronensternen auf, können allerdings durch aktuelle Beobachtungen und theoretische Berechnungen zur Zeit weder bestätigt noch ausgeschlossen werden. Die tatsächliche Zusammensetzung von Neutronensternkernen ist daher nach wie vor unbekannt. Um den Einfluss von Hyperonen auf Neutronensternverschmelzungen zu erforschen, führen wir die erste umfassende Untersuchung mit zahlreichen verfügbaren hyperonischen Zustandsgleichungsmodellen durch. Bei endlichen Temperaturen werden mehr Hyperonen produziert, was den Entartungsdruck der Nukleonen senkt. Dieser reduzierte Druck in heißer, hyperonischer Materie führt zu einem charakteristischen Anstieg der dominanten Gravitationswellenfrequenz nach der Verschmelzung um bis zu 150 Hz im Vergleich zu rein nukleonischer Materie. Obwohl dieser Effekt klein ist, könnte er in Zukunft trotzdem als beobachtbarer Nachweis von Hyperonen dienen. Unser Resultat ist insbesondere deswegen relevant, weil die Masse-Radius Beziehungen kalter, hyperonischer Neutronensterne möglicherweise ununterscheidbar von denen nukleonischer Sterne sind. Beim Verwenden von Modellen mit einem Übergang zu freier Quarkmaterie, sogenannten hybriden Modellen, finden wir einen erheblichen Einfluss thermischer Effekte auf die Struktur des Überrests der Verschmelzung. In den von uns verwendeten, hybriden Zustandsgleichungsmodellen kann dies auf die Verschiebung der Quark-Hadron Phasengrenze bei endlichen Temperaturen zurückgeführt werden, welche den Druck im Vergleich zu kalter Materie deutlich senkt. Wir zeigen explizit, dass die dominante Gravitationswellenfrequenz um mehrere Hundert Hz unterschätzt werden kann, wenn diese Änderungen der Phasengrenzen nicht berücksichtigt werden. Zusätzlich entwickeln wir eine effektive Beschreibung, um den Einfluss von temperaturabhängigen Phasengrenzen für Zustandsgleichungen mit einer Maxwell-Phasenkonstruktion, also zwei getrennten Phasen welche durch eine flache Koexistenzphase verbunden sind, zu berücksichtigen. Wir validieren unser Modell, indem wir die Ergebnisse mit Resultaten aus temperaturabhängigen, hybriden Zustandsgleichungsmodellen vergleichen. Dabei finden wir sehr gute Übereinstimmungen der Gravitationswellenfrequenzen nach der Fusion der beiden Sterne. Anschließend untersuchen wir den Einfluss verschiedener Phasengrenzen für eine feste, kalte Zustandsgleichung. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die Form der Phasengrenzen einen großen Einfluss auf beobachtbare Größen von Neutronensternverschmelzungen wie Gravitationswellenfrequenzen oder den direkten Kollaps des Überrests zu einem Schwarzen Loch hat. Wie wir explizit zeigen, besteht sogar die Möglichkeit, dass freie Quarkmaterie nur bei endlichen Temperaturen in Systemen wie kollidierenden Neutronensternen existiert, aber nicht in kalten, isolierten Sternen auftritt. Dies macht deutlich, dass Gravitationswellen, welche nach einer Neutronensternverschmelzung emittiert werden, wichtige Informationen über die zugrundeliegende Zustandsgleichung komplementär zu Beobachtungen einzelner Neutronensterne beinhalten. Zukünftige Beobachtungen von Gravitationswellen aus Neutronensternverschmelzungen haben daher das Potential, zusätzlich zu irdischen Experimenten Aufschluss über das Vorkommen von Hyperonen und freier Quarkmaterie in Neutronensternmaterie und über das Phasendiagramm der Quantenchromodynamik zu geben.

Deutsch
Freie Schlagworte: Nuclear astrophysics, numerical relativity, neutron star mergers, gravitational wave physics
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-265305
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 > Theoretische nukleare Astrophysik
TU-Projekte: DFG|SFB1245|B07_SFB1245
Hinterlegungsdatum: 05 Jun 2024 12:24
Letzte Änderung: 11 Jun 2024 09:22
PPN:
Referenten: Bauswein, PD Dr. Andreas ; Martínez-Pinedo, Prof. Dr. Gabriel
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 13 Mai 2024
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