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Abstract

We present a new analytic model describing gravitational wave emission in the post-merger phase of binary neutron star mergers. The model is determined by a number of physical parameters that are related to various oscillation modes, combination tones or non-linear features. The time evolution of the main post-merger frequency is incorporated. The model achieves high fitting factors for a sequence of equal-mass simulations of varying mass. All parameters of the model correlate with the total binary mass. For high binary masses, we identify new spectral features originating from the non-linear coupling between the quasi-radial oscillation and an antipodal tidal deformation of the remnant, the inclusion of which enhances the corresponding fitting factors. We find that subdominant frequency components are crucial for the construction of faithful gravitational wave templates. Because of the high fitting factors our model is particularly suitable for searches with upgraded detectors of the current generation (aLIGO+, aVirgo+) or future detectors. We find a quasi-universal relation for the proximity of a binary configuration to black-hole formation. We then develop a method for determining the threshold mass for prompt black-hole formation and the maximum mass of non-rotating neutron stars. This procedure relies on one precise measurement of the inspiral and post-merger phase.

Translation of abstract (German)

Wir stellen ein neues analytisches Modell vor, das die Gravitationswellenemission in der Phase nach der Verschmelzung von Doppelneutronensternen beschreibt. Das Modell wird durch eine Reihe von physikalischen Parametern bestimmt, die mit verschiedenen Oszillationsmoden, Kombinationstönen oder nicht-linearen dynamischen Merkmalen zusammenhängen. Ausserdem wird die zeitliche Entwicklung der dominanten Mode nach der Verschmelzung mit einbezogen. Das Modell beschreibt die numerischen Daten von Simulationen mit unterschiedlicher Gesamtmasse mit sehr hoher Genauigkeit. Alle Parameter des Modells korrelieren mit der Gesamtmasse des Doppelsterns. Für hohe Massen des Systems identifizieren wir neue spektrale Merkmale, die von der nicht-linearen Kopplung zwischen der quasi-radialen Oszillation und einer Deformation des Verschmelzungsüberrests herrühren. Deren Einbeziehung erhöht die Genauigkeit des Modells signifikant. Wir stellen fest, dass die subdominanten Frequenzkomponenten entscheidend für die Konstruktion von zuverlässigen Gravitationswellenmodellen sind. Aufgrund der hohen Genauigkeit ist unser Modell besonders für die Suche mit verbesserten Versionen der aktuellen Detektoren (aLIGO+, aVirgo+) oder zukünftigen Instrumenten geeignet. Wir finden eine quasi-universelle Beziehung zur Beschreibung der Nähe eines Doppelsterns zum Einsetzen des Gravitationskollapses zum Schwarzen Loch. Anschließend entwickeln wir eine Methode zur Bestimmung der Grenzmasse für die direkte Bildung Schwarzer Löcher und der maximalen Masse von nicht rotierenden Neutronensternen. Dieses Verfahren stützt sich auf eine einzige präzise Messung der Gravitationswellen vor und nach der Verschmelzung.