Papers
Topics
Authors
Recent
Detailed Answer
Quick Answer
Concise responses based on abstracts only
Detailed Answer
Well-researched responses based on abstracts and relevant paper content.
Custom Instructions Pro
Preferences or requirements that you'd like Emergent Mind to consider when generating responses
Gemini 2.5 Flash
Gemini 2.5 Flash 82 tok/s
Gemini 2.5 Pro 48 tok/s Pro
GPT-5 Medium 40 tok/s Pro
GPT-5 High 38 tok/s Pro
GPT-4o 96 tok/s Pro
Kimi K2 185 tok/s Pro
GPT OSS 120B 465 tok/s Pro
Claude Sonnet 4 30 tok/s Pro
2000 character limit reached

A binary black hole metric approximation from inspiral to merger (2403.13308v1)

Published 20 Mar 2024 in gr-qc

Abstract: We present a semi-analytic binary black hole (BBH) metric approximation that models the entire evolution of the system from inspiral to merger. The metric is constructed as a boosted Kerr-Schild superposition following post-Newtonian (PN) trajectories at the fourth PN order in the inspiral phase. During merger, we interpolate the binary metric in time to a single black hole remnant with properties obtained from numerical relativity (NR) fittings. Different from previous approaches, the new metric can model binary black holes with arbitrary spin direction, mass ratio, and eccentricity at any stage of their evolution in a fast and computationally efficient way. We analyze the properties of our new metric and we compare it with a full numerical relativity evolution. We show that Hamiltonian constraints are well-behaved even at merger and that the mass and spin of the black holes deviate in average only $\sim 5 \%$ compared to the full numerical evolution. We perform a General Relativistic magneto-hydrodynamical (GRMHD) simulation of uniform gas evolving on top of our approximate metric. We compare it with a full numerical relativity evolution of the fluid and Einstein's equations. We show that the properties of the gas such as the accretion rate are remarkably similar between the two approaches, exhibiting only $\sim 10 \%$ differences in average. The approximate metric is five times more efficient among other computational advantages. The numerical implementation of the metric is now open-source and optimized for numerical work. We have also implemented this spacetime in the widely used GRMHD codes Athena++ and EinsteinToolkit.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (60)
  1. B. P. Abbott et al., ApJL 848, L13 (2017).
  2. T. Bogdanović, M. C. Miller, and L. Blecha, Living Reviews in Relativity 25, 3 (2022).
  3. M. C. Begelman, R. D. Blandford, and M. J. Rees, Nature 287, 307 (1980).
  4. P. Artymowicz and S. H. Lubow, ApJ 467, L77 (1996).
  5. P. C. Peters and J. Mathews, Phys. Rev. 131, 435 (1963).
  6. P. C. Peters, Phys. Rev. 136, B1224 (1964).
  7. C. Roedig, J. H. Krolik, and M. C. Miller, The Astrophysical Journal 785, 115 (2014).
  8. A. I. MacFadyen and M. Milosavljević, ApJ 672, 83 (2008), arXiv:astro-ph/0607467 [astro-ph] .
  9. G. Ryan and A. MacFadyen, ApJ 835, 199 (2017), arXiv:1611.00341 [astro-ph.HE] .
  10. D. J. D’Orazio, Z. Haiman, and A. MacFadyen, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 436, 2997 (2013), arXiv:1210.0536 [astro-ph.GA] .
  11. S. Komossa, MmSAI 77, 733 (2006).
  12. H. J. Lehto and M. J. Valtonen, ApJ 460, 207 (1996).
  13. A. J. Dittmann, A. M. Dempsey, and H. Li, arXiv preprint arXiv:2310.03832  (2023).
  14. R. Miranda, D. J. Muñoz, and D. Lai, MNRAS 466, 1170 (2017), arXiv:1610.07263 [astro-ph.SR] .
  15. F. Cattorini and B. Giacomazzo, Astroparticle Physics , 102892 (2023).
  16. Gold, Galaxies 7, 63 (2019).
  17. R. Mignon-Risse, P. Varniere, and F. Casse, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 520, 1285 (2023).
  18. B. D. Farris, Y. T. Liu, and S. L. Shapiro, PhRvD 84, 024024 (2011), arXiv:1105.2821 .
  19. J. Davelaar and Z. Haiman, Physical Review D 105, 103010 (2022a).
  20. J. Davelaar and Z. Haiman, Physical Review Letters 128, 191101 (2022b).
  21. E. Poisson, A relativist’s toolkit: the mathematics of black-hole mechanics (Cambridge university press, 2004).
  22. E. Fermi, in Enrico Fermi, Collected Papers (Note e Memorie) (Chicago University Press, Chicago, 1962–1965).
  23. J. L. Synge, ed., Relativity: The General Theory (Interscience Publishers, New York,, 1960).
  24. F. Manasse and C. W. Misner, Journal of mathematical physics 4, 735 (1963).
  25. E. Poisson, A. Pound, and I. Vega, Living Reviews in Relativity 14, 7 (2011).
  26. B. Mashhoon and U. Muench, Annalen der Physik 11, 532 (2002).
  27. W. Rindler, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 116, 662 (1956).
  28. L. E. Kidder, Physical Review D 52, 821 (1995).
  29. cbwave.
  30. L. Blanchet, Living reviews in relativity 17, 1 (2014).
  31. A. Buonanno, L. E. Kidder, and L. Lehner, Physical Review D 77, 026004 (2008).
  32. L. Lehner and F. Pretorius, Annual Review of Astronomy and Astrophysics 52, 661 (2014).
  33. D. Gerosa and M. Kesden, Physical Review D 93, 124066 (2016).
  34. E. Barausse, V. Morozova, and L. Rezzolla, The Astrophysical Journal 758, 63 (2012).
  35. F. Hofmann, E. Barausse, and L. Rezzolla, The Astrophysical Journal Letters 825, L19 (2016).
  36. M. Kesden, U. Sperhake, and E. Berti, Physical Review D 81, 084054 (2010).
  37. L. Combi and S. Ressler, Semi-analytical metric approximation of a binary black hole spacetime (2024).
  38. T. Nakamura, K. Oohara, and Y. Kojima, Prog. Theor. Phys. Suppl. 90, 1 (1987).
  39. M. Shibata and T. Nakamura, PhRvD 52, 5428 (1995).
  40. T. W. Baumgarte and S. L. Shapiro, PhRvD 59, 024007 (1999).
  41. A. Lichnerowicz, Bulletin de la Société Mathématique de France 72, 146 (1944).
  42. R. L. Arnowitt, S. Deser, and C. W. Misner, Gen. Rel. Grav. 40, 1997 (2008).
  43. T. Baumgarte and S. Shapiro, Numerical Relativity (Cambridge University Press, Cambridge, 2010).
  44. F. Loffler et al., Cl. Quant Grav 29, 115001 (2012).
  45. E. Schnetter, S. H. Hawley, and I. Hawke, Cl. Quant Grav 21, 1465 (2004).
  46. J. Thornburg, Cl. Quantum Grav 21, 743 (2004).
  47. L. Combi and D. M. Siegel, The Astrophysical Journal 944, 28 (2023).
  48. M. Ansorg, B. Bruegmann, and W. Tichy, Phys. Rev. D70, 064011 (2004), arXiv:gr-qc/0404056 [gr-qc] .
  49. S. Brandt and B. Brügmann, Physical Review Letters 78, 3606 (1997).
  50. E. Gourgoulhon, in Journal of Physics: Conference Series, Vol. 91 (IOP Publishing, 2007) p. 012001.
  51. A. Tchekhovskoy, J. C. McKinney, and R. Narayan, MNRAS 379, 469 (2007).
  52. C. J. White, J. M. Stone, and C. F. Gammie, The Astrophysical Journal Supplement Series 225, 22 (2016).
  53. J. Sadiq, Y. Zlochower, and H. Nakano, Physical Review D 97, 084007 (2018).
  54. T. W. Baumgarte and S. G. Naculich, Physical Review D 75, 067502 (2007).
  55. D. Alic, W. Kastaun, and L. Rezzolla, PhRvD 88, 064049 (2013).
  56. S. W. Hawking and G. F. Ellis, The large scale structure of space-time (Cambridge university press, 2023).
  57. D. Pook-Kolb, R. A. Hennigar, and I. Booth, Physical Review Letters 127, 181101 (2021).
  58. E. Schnetter, B. Krishnan, and F. Beyer, Physical Review D 74, 024028 (2006).
  59. B. D. Farris, Y. T. Liu, and S. L. Shapiro, Physical Review D 81, 084008 (2010).
  60. R. Edgar, New Astronomy Reviews 48, 843 (2004).
Citations (1)
List To Do Tasks Checklist Streamline Icon: https://streamlinehq.com

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

Summary

We haven't generated a summary for this paper yet.

Dice Question Streamline Icon: https://streamlinehq.com

Follow-Up Questions

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.