基于多块网格的双中子星并合与恒星坍缩的三维广义相对论流体动力学模拟

我们提出了一种新的三维广义相对论流体动力学演化方案，该方案耦合了动态时空演化，能够高效模拟恒星坍缩、孤立中子星、黑洞形成以及双中子星并合。我们利用一组自适应曲线网格（多块网格），并结合通量守恒的单元中心自适应网格细化技术。这使得我们能够显著扩大计算域，同时在引力波提取区、恒星外层或并合中子星的质量抛射区保持高分辨率。流体采用高分辨率激波捕捉有限体积方案演化，而时空几何则使用四阶有限差分法演化。为了提高效率，我们采用了多速率 Runge-Kutta 时间积分方案，分别对流体进行二阶积分，对时空几何进行四阶积分。我们通过一系列基准问题验证了代码：旋转恒星坍缩模型、受激中子星、中子星坍缩成黑洞以及双中子星并合。测试问题（尤其是后者）极大地受益于引力波提取区的更高分辨率、因果断开的外边界以及柯西 - 特征引力波提取的应用。我们展示了能够提取收敛的引力波模式直至 (l,m)=(6,6)。这项研究为在完整三维和大计算域中对致密天体和恒星坍缩进行更真实、更详细的研究铺平了道路。本文中讨论的多块基础设施以及对网格细化和流体动力学代码的改进将作为开源 Einstein Toolkit 的一部分提供。