Papers
Topics
Authors
Recent
Gemini 2.5 Flash
Gemini 2.5 Flash
134 tokens/sec
GPT-4o
10 tokens/sec
Gemini 2.5 Pro Pro
47 tokens/sec
o3 Pro
4 tokens/sec
GPT-4.1 Pro
38 tokens/sec
DeepSeek R1 via Azure Pro
28 tokens/sec
2000 character limit reached

Jetlike structures in low-mass binary neutron star merger remnants (2405.03705v2)

Published 3 May 2024 in astro-ph.HE and gr-qc

Abstract: GW170817 and GRB 170817A provided direct evidence that binary neutron star (NSNS) mergers can produce short gamma-ray bursts (sGRBs). However, questions remain about the nature of the central engine. Depending on the mass, the remnant from a NSNS merger may promptly collapse to a black hole (BH), form a hypermassive neutron star (HMNS) which undergoes a delayed collapse to a BH, a supramassive neutron star (SMNS) with a much longer lifetime, or an indefinitely stable NS. There is strong evidence that a BH with an accretion disk can launch a sGRB-compatible jet via the Blandford-Znajek mechanism, but whether a supramassive star can do the same is less clear. We have performed general relativistic magnetohydrodynamics simulations of the merger of both irrotational and spinning, equal-mass NSNSs constructed from a piecewise polytropic representation of the SLy equation of state, with a range of gravitational masses that yield remnants with mass above and below the supramassive limit. Each NS is endowed with a dipolar magnetic field extending from the interior into the exterior, as in a radio pulsar. We examine cases with different initial binary masses, including a case which produces a HMNS which collapses to a BH, and lower mass binaries that produce SMNS remnants. We find similar jetlike structures for both the SMNS and HMNS remnants that meet our basic critera for an incipient jet. The outflow for the HMNS case is consistent with a Blandford-Znajek (BZ) jet. There is sufficient evidence that such BZ-powered outflows can break out and produce ulrarelativistic jets so that we can describe the HMNS system as a sGRB progenitor. However, the incipient jets from the SMNS remnants have much more baryon pollution and we see indications of inefficient acceleration and mixing with the surrounding debris. Therefore, we cannot conclude that SMNS outflows are the progenitors of sGRBs.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (102)
  1. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. Lett. 119, 161101 (2017a), arXiv:1710.05832 [gr-qc] .
  2. D. A. Coulter et al., Science 358, 1556 (2017), arXiv:1710.05452 [astro-ph.HE] .
  3. V. Savchenko et al., Astrophys. J. Lett. 848, L15 (2017), arXiv:1710.05449 [astro-ph.HE] .
  4. A. Murguia-Berthier et al., Astrophys. J. Lett. 848, L34 (2017), arXiv:1710.05453 [astro-ph.HE] .
  5. G. P. Lamb et al., Astrophys. J. Lett. 870, L15 (2019), arXiv:1811.11491 [astro-ph.HE] .
  6. K. P. Mooley et al., Astrophys. J. Lett. 868, L11 (2018b), arXiv:1810.12927 [astro-ph.HE] .
  7. Y. Wu and A. MacFadyen, Astrophys. J. 869, 55 (2018), arXiv:1809.06843 [astro-ph.HE] .
  8. B. Paczynski, Astrophys. J. Lett. 308, L43 (1986).
  9. J. Goodman, Astrophys. J. Lett. 308, L47 (1986).
  10. D. B. Fox et al., Nature 437, 845 (2005), arXiv:astro-ph/0510110 .
  11. P. D’Avanzo, JHEAp 7, 73 (2015).
  12. P. Landry and J. S. Read, Astrophys. J. Lett. 921, L25 (2021), arXiv:2107.04559 [astro-ph.HE] .
  13. E. Nakar, Phys. Rept. 442, 166 (2007), arXiv:astro-ph/0701748 .
  14. P. Kumar and B. Zhang, Phys. Rept. 561, 1 (2014), arXiv:1410.0679 [astro-ph.HE] .
  15. T. Piran, Rev. Mod. Phys. 76, 1143 (2004), arXiv:astro-ph/0405503 .
  16. V. Connaughton et al., GRB Coordinates Network 21506, 1 (2017).
  17. A. Goldstein et al., Astrophys. J. Lett. 848, L14 (2017), arXiv:1710.05446 [astro-ph.HE] .
  18. B. P. Abbott et al., Astrophys. J. Lett. 848, L12 (2017c), arXiv:1710.05833 [astro-ph.HE] .
  19. P. D’Avanzo et al., Astron. Astrophys. 613, L1 (2018), arXiv:1801.06164 [astro-ph.HE] .
  20. L. Resmi et al., Astrophys. J. 867, 57 (2018), arXiv:1803.02768 [astro-ph.HE] .
  21. D. S. D. Young, Science 252, 389 (1991), https://www.science.org/doi/pdf/10.1126/science.252.5004.389 .
  22. J. Granot and P. Kumar, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 366, L13 (2006), arXiv:astro-ph/0511049 .
  23. Y.-C. Zou and T. Piran, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 402, 1854–1862 (2010).
  24. M. J. Rees and P. Meszaros, Astrophys. J. Lett. 430, L93 (1994), arXiv:astro-ph/9404038 .
  25. J. I. Katz, Astrophys. J. 422, 248 (1994), arXiv:astro-ph/9212006 .
  26. P. Veres et al.,   (2018), arXiv:1802.07328 [astro-ph.HE] .
  27. S. L. Shapiro, Phys. Rev. D 95, 101303(R) (2017), arXiv:1705.04695 [astro-ph.HE] .
  28. G. Ghirlanda et al., Science 363, 968 (2019), arXiv:1808.00469 [astro-ph.HE] .
  29. P. S. Cowperthwaite et al., Astrophys. J. Lett. 848, L17 (2017), arXiv:1710.05840 [astro-ph.HE] .
  30. S. J. Smartt et al., Nature 551, 75 (2017), arXiv:1710.05841 [astro-ph.HE] .
  31. M. M. Kasliwal et al., Science 358, 1559 (2017), arXiv:1710.05436 [astro-ph.HE] .
  32. B. D. Metzger, Living Rev. Rel. 23, 1 (2020), arXiv:1910.01617 [astro-ph.HE] .
  33. M. Shibata and K. Taniguchi, Phys. Rev. D 73, 064027 (2006), arXiv:astro-ph/0603145 .
  34. V. V. Usov, Nature 357, 472 (1992).
  35. R. C. Duncan and C. Thompson, Astrophys. J. Lett. 392, L9 (1992).
  36. B. Zhang and P. Meszaros, Astrophys. J. Lett. 552, L35 (2001), arXiv:astro-ph/0011133 .
  37. B. D. Metzger and A. L. Piro, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 439, 3916 (2014), arXiv:1311.1519 [astro-ph.HE] .
  38. R. Ciolfi, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 495, L66 (2020), arXiv:2001.10241 [astro-ph.HE] .
  39. R. D. Blandford and R. L. Znajek, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 179, 433 (1977).
  40. M. Ruffert and H. T. Janka, Astron. Astrophys. 338, 535 (1998), arXiv:astro-ph/9804132 .
  41. M. Ruiz and S. L. Shapiro, Phys. Rev. D 96, 084063 (2017), arXiv:1709.00414 [astro-ph.HE] .
  42. R. Ciolfi, Int. J. Mod. Phys. D 27, 1842004 (2018), arXiv:1804.03684 [astro-ph.HE] .
  43. B. Margalit and B. D. Metzger, Astrophys. J. Lett. 850, L19 (2017), arXiv:1710.05938 [astro-ph.HE] .
  44. N. Jordana-Mitjans et al., Astrophys. J. 939, 106 (2022), arXiv:2211.05810 [astro-ph.HE] .
  45. L. C. Strang and A. Melatos, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 487, 5010 (2019), arXiv:1906.02877 [astro-ph.HE] .
  46. R. Ciolfi and D. M. Siegel, Astrophys. J. Lett. 798, L36 (2015), arXiv:1411.2015 [astro-ph.HE] .
  47. D. M. Siegel and B. D. Metzger, Phys. Rev. Lett. 119, 231102 (2017), arXiv:1705.05473 [astro-ph.HE] .
  48. N. Sarin and P. D. Lasky, Gen. Rel. Grav. 53, 59 (2021), arXiv:2012.08172 [astro-ph.HE] .
  49. D. Price and S. Rosswog, Science 312, 719 (2006), arXiv:astro-ph/0603845 .
  50. S. L. Shapiro, Astrophys. J. 620, 59 (2005), arXiv:astro-ph/0411156 .
  51. M. Hempel and J. Schaffner-Bielich, Nucl. Phys. A 837, 210 (2010), arXiv:0911.4073 [nucl-th] .
  52. J. C. McKinney and R. D. Blandford, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 394, 126 (2009), arXiv:0812.1060 [astro-ph] .
  53. M. Shibata and T. Nakamura, Phys. Rev. D 52, 5428 (1995).
  54. T. W. Baumgarte and S. L. Shapiro, Phys. Rev. D 59, 024007 (1998), arXiv:gr-qc/9810065 .
  55. P. Colella and P. R. Woodward, J. Comput. Phys. 54, 174 (1984).
  56. F. Douchin and P. Haensel, Astron. Astrophys. 380, 151 (2001), arXiv:astro-ph/0111092 .
  57. H. T. Cromartie et al. (NANOGrav), Nature Astron. 4, 72 (2019), arXiv:1904.06759 [astro-ph.HE] .
  58. T. E. Riley et al., Astrophys. J. Lett. 918, L27 (2021), arXiv:2105.06980 [astro-ph.HE] .
  59. E. Fonseca et al., Astrophys. J. 832, 167 (2016), arXiv:1603.00545 [astro-ph.HE] .
  60. J. Antoniadis et al., Science 340, 6131 (2013), arXiv:1304.6875 [astro-ph.HE] .
  61. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. Lett. 121, 161101 (2018), arXiv:1805.11581 [gr-qc] .
  62. M. C. Miller et al., Astrophys. J. Lett. 887, L24 (2019), arXiv:1912.05705 [astro-ph.HE] .
  63. T. E. Riley et al., Astrophys. J. Lett. 887, L21 (2019), arXiv:1912.05702 [astro-ph.HE] .
  64. R. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Astrophys. J. Lett. 896, L44 (2020), arXiv:2006.12611 [astro-ph.HE] .
  65. T. M. Tauris et al., Astrophys. J. 846, 170 (2017), arXiv:1706.09438 [astro-ph.HE] .
  66. D. R. Lorimer, Living Rev. Rel. 11, 8 (2008), arXiv:0811.0762 [astro-ph] .
  67. S. Rosswog, Rev. Mex. Astron. Astrof. Ser. Conf. 27, 57 (2007), arXiv:astro-ph/0612572 .
  68. J. Zrake and A. I. MacFadyen, Astrophys. J. Lett. 769, L29 (2013), arXiv:1303.1450 [astro-ph.HE] .
  69. J. Thornburg, Class. Quant. Grav. 21, 743 (2004), arXiv:gr-qc/0306056 .
  70. O. Gottlieb et al., Astrophys. J. Lett. 954, L21 (2023), arXiv:2306.14947 [astro-ph.HE] .
  71. N. I. Shakura and R. A. Sunyaev, IAU Symp. 55, 155 (1973).
  72. B. J. Shappee et al., Science 358, 1574 (2017), arXiv:1710.05432 [astro-ph.HE] .
  73. I. Arcavi et al., Nature 551, 64 (2017), arXiv:1710.05843 [astro-ph.HE] .
  74. Y. Mizuno, Universe 8, 85 (2022), arXiv:2201.12608 [astro-ph.HE] .
  75. M. Perucho and J. López-Miralles, J. Plasma Phys. 89, 915890501 (2023), arXiv:2306.05864 [astro-ph.HE] .
  76. N. Vlahakis and A. Konigl, Astrophys. J. 596, 1080 (2003), arXiv:astro-ph/0303482 .
  77. V. S. Beskin and E. E. Nokhrina,   (2005), arXiv:astro-ph/0506333 .
  78. S. S. Komissarov, Mem. Soc. Ast. It. 82, 95 (2011), arXiv:1006.2242 [astro-ph.HE] .
  79. Y. Lyubarsky, Phys. Rev. E 83, 016302 (2011).
  80. A. Brandenburg and K. Subramanian, Phys. Rept. 417, 1 (2005), arXiv:astro-ph/0405052 .
  81. S. L. Shapiro, Astrophys. J. 544, 397 (2000), arXiv:astro-ph/0010493 .
  82. S. S. Chandrasekhar, Hydrodynamic and hydromagnetic stability, International series of monographs on physics (Oxford, England) (Clarendon Press, Oxford, 1961).
  83. F. A. Rasio and S. L. Shapiro, Class. Quant. Grav. 16, R1 (1999), arXiv:gr-qc/9902019 .
  84. A. A. Schekochihin and S. C. Cowley, in Magnetohydrodynamics: Historical Evolution and Trends, Fluid Mechanics and Its Applications (Springer Dordrecht, 2005) pp. 85–115, arXiv:astro-ph/0507686 .
  85. F. Rincon, J. Plasma Phys. 85, 205850401 (2019), arXiv:1903.07829 [physics.plasm-ph] .
  86. S. A. Balbus and J. F. Hawley, Astrophys. J. 376, 214 (1991).
  87. S. A. Balbus and J. F. Hawley, Rev. Mod. Phys. 70, 1 (1998).
  88. H. C. Spruit, Astron. Astrophys. 349, 189 (1999), arXiv:astro-ph/9907138 .
  89. H. K. Moffatt, Magnetic field generation in electrically conducting fluids, Cambridge monographs on mechanics and applied mathematics (Cambridge University Press, Cambridge, 1978).
  90. F. Krause and K. H. Raedler, Mean-field magnetohydrodynamics and dynamo theory, 1st ed. (Pergamon Press, 1980).
  91. R. M. Kulsrud, Plasma physics for astrophysics, Princeton series in astrophysics (Princeton University Press, Princeton, N.J, 2005).
  92. J. C. McKinney and C. F. Gammie, Astrophys. J. 611, 977 (2004), arXiv:astro-ph/0404512 .
  93. J. C. McKinney,   (2005), arXiv:astro-ph/0506368 .
  94. S. Ascenzi et al., Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 486, 672 (2019), arXiv:1811.05506 [astro-ph.HE] .
  95. J. C. Rastinejad et al., Astrophys. J. 916, 89 (2021), arXiv:2101.03175 [astro-ph.HE] .
  96. V. A. Villar et al., Astrophys. J. Lett. 851, L21 (2017), arXiv:1710.11576 [astro-ph.HE] .
  97. A. Buikema et al. (aLIGO), Phys. Rev. D 102, 062003 (2020), arXiv:2008.01301 [astro-ph.IM] .
  98. L. Barsotti, L. McCuller, M. Evans,  and P. Fritschel (LIGO Scientific, Virgo), “The a+ design curve,”  (2018).
  99. S. Hild et al., Class. Quant. Grav. 28, 094013 (2011), arXiv:1012.0908 [gr-qc] .
  100. A. Bauswein and N. Stergioulas, Phys. Rev. D 91, 124056 (2015), arXiv:1502.03176 [astro-ph.SR] .
  101. L. Rezzolla and K. Takami, Phys. Rev. D 93, 124051 (2016), arXiv:1604.00246 [gr-qc] .
  102. C. A. Raithel and E. R. Most, Astrophys. J. Lett. 933, L39 (2022), arXiv:2201.03594 [astro-ph.HE] .
Citations (2)
View on Semantic Scholar

Summary

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

Ai Sparkles Streamline Icon: https://streamlinehq.com Summarize Now