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广义相对论与量子宇宙学

arXiv:2404.01137v3 (gr-qc)
[提交于 2024年4月1日 (v1) ,最后修订 2024年9月13日 (此版本, v3)]

标题: 改进的紧凑双星模拟移动穿透技术

标题: Improved Moving-Puncture Techniques for Compact Binary Simulations

Authors:Zachariah B. Etienne
摘要: 为了充分释放下一代引力波(GW)干涉仪的科学潜力,数值相对论(NR)模拟的准确性将需要大幅提高。 我们提出了三种与基础设施无关的改进方法,用于双黑洞(BBH)模拟的运动脉冲方法,旨在大大减少约束违反并提高GW预测。 尽管这些改进是在高效NR代码BlackHoles@Home中开发的,但我们证明了它们在广泛采用的Einstein Toolkit/Carpet AMR框架中的有效性。 我们的改进包括一种修改后的Kreiss-Oliger耗散方案,对BSSN方程的哈密顿约束阻尼进行调整,以及在1+log lapse演化方程中增加一个额外项,以减缓尖锐lapse特征的发展,该特征在BBH模拟中主导了数值误差。 在计算成本增加最小的情况下,这些改进大大减少了GW噪声,使得之前被数值噪声掩盖的高阶GW模式得以提取。 它们还改善了收敛区域内外的收敛特性,在强场区域将哈密顿(动量)约束违反减少了约两个(三个)数量级,在GW提取区域减少了五个(两个)数量级。 为了促进社区采用,我们已将本工作中使用的改进的Einstein Toolkit thorn BaikalVacuum开源。 虽然我们的重点是BBH演化和BSSN公式,但这些改进可能也适用于涉及物质和其他公式的紧凑双星模拟,这将是未来研究的重点。
摘要: To fully unlock the scientific potential of upcoming gravitational wave (GW) interferometers, numerical relativity (NR) simulation accuracy will need to be greatly enhanced. We present three infrastructure-agnostic improvements to the moving-puncture approach for binary black hole (BBH) simulations, aimed at greatly reducing constraint violation and improving GW predictions. Although these improvements were developed within the highly efficient NR code BlackHoles@Home, we demonstrate their effectiveness in the widely-adopted Einstein Toolkit/Carpet AMR framework. Our improvements include a modified Kreiss-Oliger dissipation prescription, a Hamiltonian-constraint-damping adjustment to the BSSN equations, and an extra term to the 1+log lapse evolution equation that slows the development of the sharp lapse feature, which dominates numerical errors in BBH simulations. With minimal increase in computational cost, these improvements greatly reduce GW noise, enabling the extraction of high-order GW modes previously obscured by numerical noise. They also improve convergence properties near and inside the convergent regime, reduce Hamiltonian (momentum) constraint violations in the strong-field region by roughly two (three) orders of magnitude, and in the GW-extraction zone by five (two) orders of magnitude. To promote community adoption, we have open-sourced the improved Einstein Toolkit thorn BaikalVacuum used in this work. Although our focus is on BBH evolutions and the BSSN formulation, these improvements may also benefit compact binary simulations involving matter and other formulations, a focus for future investigations.
评论: 17页,15图;符合已发表版本
主题: 广义相对论与量子宇宙学 (gr-qc) ; 高能天体物理现象 (astro-ph.HE)
引用方式: arXiv:2404.01137 [gr-qc]
  (或者 arXiv:2404.01137v3 [gr-qc] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.01137
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI
期刊参考: Phys. Rev. D 110, 064045 (2024)
相关 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.110.064045
链接到相关资源的 DOI

提交历史

来自: Zachariah Etienne [查看电子邮件]
[v1] 星期一, 2024 年 4 月 1 日 14:33:13 UTC (4,024 KB)
[v2] 星期五, 2024 年 5 月 24 日 13:52:49 UTC (4,024 KB)
[v3] 星期五, 2024 年 9 月 13 日 18:04:05 UTC (3,863 KB)
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