In LIGO's Sight? Vigorous Coherent Gravitational Waves from Cooled Collapsar Disks

Auteurs : Ore Gottlieb, Amir Levinson, Yuri Levin

arXiv: 2406.19452v1 - DOI (astro-ph.HE)
For movies of the simulations, see https://oregottlieb.com/disk_gw.html
Licence : CC BY 4.0

Résumé : We present the first numerical study of gravitational waves (GWs) from collapsar disks, using state-of-the-art 3D general-relativistic magnetohydrodynamic simulations of collapsing stars. These simulations incorporate a fixed Kerr metric for the central black hole (BH) and employ simplified prescriptions for disk cooling. We find that cooled disks with an expected scale height ratio of $H/R\gtrsim0.1$ at $\sim10$ gravitational radii induce Rossby instability in compact, high-density rings. The trapped Rossby vortices generate vigorous coherent emission regardless of disk magnetization and BH spin. For BH mass of $\sim10\,M_\odot$, the GW spectrum peaks at $\sim100\,{\rm Hz}$ with some breadth due to various non-axisymmetric modes. The spectrum shifts toward lower frequencies as the disk viscously spreads and the circularization radius of the infalling gas increases. Weaker-cooled disks with $H/R\gtrsim0.3$ form a low-density extended structure of spiral arms, resulting in a broader, lower-amplitude spectrum. Assuming an optimistic detection threshold with a matched-filter SNR of 20 and a rate similar to supernovae Ib/c, LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) could detect $\lesssim1$ event annually, suggesting that GW events may already be hidden in observed data. Third-generation GW detectors could detect dozens to hundreds of collapsar disks annually, depending on the cooling strength and the disk formation rate. The GW amplitudes from collapsar disks are $\gtrsim100$ times higher with a substantially greater event rate than those from core-collapse supernovae, making them potentially the most promising burst-type GW class for LVK and Cosmic Explorer. This highlights the importance of further exploration and modeling of disk-powered GWs, promising insights into collapsing star physics.

Soumis à arXiv le 27 Jui. 2024

Explorez l'arbre d'article

Cliquez sur les nœuds de l'arborescence pour être redirigé vers un article donné et accéder à leurs résumés et assistant virtuel

Accédez également à nos Résumés, ou posez des questions sur cet article à notre Assistant IA.

Recherchez des articles similaires (en version bêta)

En cliquant sur le bouton ci-dessus, notre algorithme analysera tous les articles de notre base de données pour trouver le plus proche en fonction du contenu des articles complets et pas seulement des métadonnées. Veuillez noter que cela ne fonctionne que pour les articles pour lesquels nous avons généré des résumés et que vous pouvez le réexécuter de temps en temps pour obtenir un résultat plus précis pendant que notre base de données s'agrandit.