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Mewes, Vassilios
Font Roda, José Antonio (dir.); Montero Muriel, Pedro J. (dir.) Departament d'Astronomia i Astrofísica |
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Aquest document és un/a tesi, creat/da en: 2016 | |
Mergers of compact objects are among the most interesting events of relativistic astrophysics,
being, in particular, the prime target for gravitational wave astronomy.
In this thesis, we investigate the possible end-states of black hole-neutron star
and binary neutron star mergers: thick accretion tori around spinning Kerr
black holes. These black hole-torus systems are believed to be the engines
of the brightest events in the Universe, so-called gamma-ray bursts. Our
understanding of the evolution and stability of these systems relies crucially
on accurate numerical relativity simulations of their dynamics, evolving both
spacetime and matter fields. The main work in this thesis are
such numerical relativity simulations of black hole--torus systems.
We use equilibrium models of self-gravitating discs around black holes as
initial data, which represent ideali...
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Mergers of compact objects are among the most interesting events of relativistic astrophysics,
being, in particular, the prime target for gravitational wave astronomy.
In this thesis, we investigate the possible end-states of black hole-neutron star
and binary neutron star mergers: thick accretion tori around spinning Kerr
black holes. These black hole-torus systems are believed to be the engines
of the brightest events in the Universe, so-called gamma-ray bursts. Our
understanding of the evolution and stability of these systems relies crucially
on accurate numerical relativity simulations of their dynamics, evolving both
spacetime and matter fields. The main work in this thesis are
such numerical relativity simulations of black hole--torus systems.
We use equilibrium models of self-gravitating discs around black holes as
initial data, which represent idealised (yet relevant) models of
the actual post-merger discs found in self-consistent numerical relativity merger
simulations.
Traditionally, numerical simulations of these systems have been carried out under the
assumption that the black hole spin and disc angular momentum are aligned.
There are arguments, however, that many black hole-torus systems should be tilted
instead, which means that the equatorial plane of the disc is no longer parallel to
that of the black hole. These tilted black hole-torus systems form indeed
self-consistently in numerical relativity simulations of misaligned black
hole-neutron star mergers.
In these tilted systems, the dynamics of the torus and black hole change completely
as compared to the untilted case due to general relativistic effects arising from the
structure of the Kerr spacetime. Specifically, due to differential Lense-Thirring precession,
the disc may become twisted and warped.
To capture the correct dynamical response of these effects on the disc evolution,
it is therefore necessary to evolve the systems in general relativistic hydrodynamics
simulations.
Pioneering work in this field has been carried out by Fragile and collaborators, who performed
the first relativistic simulations of tilted black hole-torus systems
in the test-fluid approximation, which means that the spacetime
was held fixed in time and the self-gravity of the disc ignored.
Building on this seminal work, we have performed in this thesis the first systematic study of
tilted black hole-torus systems with a fully evolved spacetime. We observe
many of the disc morphological features described in the test-fluid simulations of
Fragile and collaborators. Additionally, we observe significant black hole precession
and nutation as a result of the tilted disc evolution for all disc-to-black hole
mass ratios considered in this thesis. The black hole spin direction is measured
using a standard method in numerical relativity, which, as we show in this thesis,
can be derived from Weinberg's pseudotensor. The black hole precession is seen to arise
from the torque the disc exerts as it starts to precess due to
the Lense-Thirring torque of the central black hole.
When considering a non-rotating black hole, some of our initial models were known
to be prone to develop the global, non-axisymmetric hydrodynamic Papaloizou-Pringle
instability. We study these models in the tilted case in order
to gauge the effect the black hole tilt has on the development of the
instability. Our results show that the instability is a very robust feature of this
physical system in the sense that it indeed develops for all initial black hole spin magnitudes
and tilt angles we investigate. The contrary is also true, namely that a stable initial
model remains so for the entire parameter space of the study.
We investigate the precise mechanism of the instability and show that it manifests itself in
a spiral density wave of constant pattern speed traveling through the differentially
rotating disc. The density wave facilitates the outward transport of angular
momentum from the inner region of the torus, where it has negative angular momentum
with respect to the fluid, as it couples to the fluid via dissipation when its
amplitude becomes non-linear and mild shocks develop.
Our three-dimensional simulations show the presence of quasi-periodic
oscillations in the instantaneous accretion rate, with frequencies
in a range compatible with those observed in low mass X-ray binaries with either
a black hole or a neutron star component. The frequency ratio of the dominant
low frequency peak and the first overtone is o_1/f~1.9, a frequency ratio
not attainable when modelling the quasi-periodic
oscillations as p-mode oscillations in axisymmetric tori.Las fusiones de objetos compactos se encuentran entre los eventos más interesantes
de la astrofísica relativista, siendo, en particular, el principal objetivo de la
astronomía de ondas gravitatorias. En esta tesis investigamos
los posibles estados finales de la fusión de sistemas binarios formados por
agujero negro-estrella de
neutrones o por dos estrellas de neutrones: discos gruesos (o toros) de
acrecimiento alrededor de agujeros negros en rotación tipo Kerr.
Estos sistemas agujero negro-toro se cree que
constituyen el motor central de los eventos más luminosos del Universo: los llamados
estallidos de rayos gamma. Nuestro conocimiento sobre la evolución y la estabilidad de
estos sistemas depende crucialmente de la realización de simulaciones numéricas
precisas de su dinámica, en el contexto de la relatividad numérica, es decir,
tanto el espacio-tiempo como la materia.
El principal trabajo de esta tesis es llevar a cabo tales simulaciones en relatividad numérica
de sistemas agujero negro-toro. Para ello utilizamos modelos de equilibrio de discos
auto-gravitantes alrededor de agujeros negros como datos iniciales, los cuales representan
modelos idealizados (aunque apropiados) de los discos post-fusión reales obtenidos de manera
auto-consistente en simulaciones de fusión de binarias compactas en relatividad numérica.
Tradicionalmente, la simulación numérica de estos sistemas se ha realizado bajo la
hipótesis de que el espín del agujero negro y el momento angular del disco están
alineados. Sin embargo, existen razones para creer que muchos de estos sistemas
deberían estar inclinados, lo cual significa que el plano ecuatorial del disco ya
no es paralelo al del agujero negro. Ciertamente, sistemas agujero
negro-toro inclinados se han obtenido auto-consistentemente en simulaciones de relatividad
numérica de la fusión de un agujero negro y una estrella de neutrones con los momentos
angulares no alineados.
En tales sistemas inclinados, la dinámica del sistema agujero negro-toro cambia
completamente con respecto al caso alineado, debido a los efectos de relatividad
general que surgen de la estructura del espacio tiempo de la métrica de Kerr.
Especialmente, debido a la precesión diferencial de Lense-Thirring, el disco puede l
legar a estar trenzado y combado. Para capturar la respuesta dinámica
correcta de estos efectos en la evolución del disco es necesario evolucionar los sistemas
mediante simulaciones hidrodinámicas en relatividad general. El trabajo pionero en
este campo fue llevado a cabo por Fragile y colaboradores, quienes
realizaron las primeras simulaciones relativistas de sistemas agujero negro-toro
inclinados en la aproximación fluido de prueba, es decir, asumiendo que el espacio-tiempo
se mantiene inalterado en el tiempo e ignorando la auto-gravedad del disco. Basándonos en
este influyente trabajo, hemos realizado en esta tesis el primer estudio numérico sistemático
de sistemas agujero negro-toro inclinados en un espacio-tiempo totalmente evolucionado.
Nuestro trabajo confirma la mayoría de las características morfológicas del disco
descritas en las simulaciones con fluidos prueba de Fragile y colaboradores.
Además, nuestros resultados muestran precesión y nutación significativas en el agujero negro como
consecuencia de la evolución del disco inclinado para todas las proporciones entre las
masas del disco y del agujero negro consideradas en esta tesis. La dirección del espín
del agujero negro se mide utilizando un método estándar en relatividad numérica que,
como se demuestra en la tesis, puede ser derivado a partir del pseudotensor de Weinberg.
Hemos visto que la precesión del agujero negro surge del par de fuerzas que el disco ejerce
cuando se inicia su movimiento de precesión debida al par de fuerzas tipo Lense-Thirring
del agujero negro central.
Por otro lado, simulaciones previas han mostrado que modelos iniciales que involucran
agujeros negros sin rotación y sistemas alineados son propensos a desarrollar la
inestabilidad global hidrodinámica no axisimétrica de Papaloizou-Pringle. En este
trabajo estudiamos estos modelos en el caso inclinado
para estimar el efecto que la inclinación del agujero negro tiene sobre el desarrollo
de tal inestabilidad. Nuestros resultados muestran que la inestabilidad de
Papaloizou-Pringle es una característica muy robusta de nuestro sistema físico puesto que,
de hecho, se desarrolla para todas las magnitudes de espín y ángulos de inclinación
iniciales investigados.
Lo contrario también es cierto, es decir, un modelo inicialmente estable permanece
estable para todo el espacio de parámetros considerados en nuestro estudio.
En esta tesis investigamos en detalle el mecanismo de la
inestabilidad y mostramos que ésta se manifiesta en la forma de una onda de densidad espiral,
con una velocidad de patrón constante, que viaja a través del disco que gira con
rotación diferencial. Esta onda de densidad facilita el transporte de momento angular
hacia afuera desde las regiones internas del toro, donde tiene momento angular negativo
con respeto al fluido, acoplándose al fluido mediante disipación una vez su amplitud
se vuelve no-lineal y desarrollando choques moderados.
Nuestras simulaciones tridimensionales muestran la presencia de oscilaciones
cuasi-periódicas en la tasa de acreción instantánea,
con frecuencias en un rango compatible con las observadas en binarias de rayos
X de baja masa con la componente compacta siendo o bien una estrella de neutrones
o bien un agujero negro. La razón de frecuencias entre el pico de baja frecuencia
dominante y el primer armónico es o_1/f~1.9, una razón no reproducible
cuando se modelan las oscilaciones cuasi-periódicas como modos p-de oscilación de
toros axisimétricos.
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