Supernovae

RELATIVISTE DE L'EFFONDREMENT GÉNÉRAL DE LA ROTATION DES NOYAUX STELLAIRES

Auteur: Cerdá Durán Pablo.
Année: 2005.
Université: VALENCIA [www.uv.es].
Lieu de l'exposition: Dpto. Astronomía y Astrofísica. Facultad de física.
Lieu de préparation: Facultad de Física.

Résumé: *** *** * Introduction Les ondes gravitationnelles astronomie Au début du XXe siècle, la théorie d'Einstein de la relativité générale a révolutionné la manière dont nous comprenons le monde physique avec un nouveau paradigme qui non seulement décrit la gravitation, mais l'espace-temps lui-même. Maintenant, cette théorie est profondément enracinée, et est à la base des modèles plus réalistes dans la cosmologie et l'astrophysique. Toutefois, l'ensemble de leurs prédictions n'ont pas pu encore être confirmée par les observations. Une de ces prédictions est l'existence d'ondes de gravité. À l'aube d'un nouveau siècle, est en passe de devenir une nouvelle branche de l'astronomie, de l'astronomie des ondes gravitationnelles, consacrée à l'étude des objets astrophysiques et cosmologiques par la détection d'ondes gravitationnelles émises par eux. Astrophysiques pour un objet émettant des ondes gravitationnelles observables de la Terre, elle doit être un objet compact avec une forte gravité des domaines aussi avoir des variations temporelles. L'étude des ondes de gravité émises est un excellent outil pour observer les coins les plus reculés de ces objets astrophysiques. Par exemple, vous pouvez voir l'effondrement du noyau stellaire dans la formation de supernovae ou quartier entouré d'accrétion de trou noir disques. Ces régions sont invisibles à toute autre observation du spectre électromagnétique. Il peut également détecter les perturbations de l'espace et le temps causés par la collision de deux trous noirs, qui, autrement, resteraient invisibles. En outre, il sera possible de faire d'autres observations de connaître les sources de rayonnement électromagnétique, comme les scénarios impliquant des étoiles à neutrons ou naines blanches. Ces observations nous aideront à mieux contraindre les paramètres de ces systèmes (masse, moment angulaire, la taille, l'équation d'état des armes nucléaires, etc.) En vue de stimuler la croissance de cette nouvelle branche de l'astronomie est un élément vital du développement en parallèle de détecteurs et de la modélisation des sources. Au cours des deux dernières décennies ont été conçu un grand nombre de détecteurs d'ondes gravitationnelles. Nous avons construit d'énormes installations à laser interférométriques détecteurs basés en Europe (VIRGO, EGO), les États-Unis (LIGO) et le Japon (TAMA), pour détecter les ondes gravitationnelles dans la gamme KHz, et les extensions de ces interféromètres sont déjà prévues (LIGO avancée dans la États-Unis, LCGT au Japon et en Europe EURO). Aussi interféromètres dans l'espace (en collaboration ESA / NASA appelée LISA) à observer les sources émettant dans la gamme des MHz. En outre, la modélisation de la source est nécessaire pour établir quels objets astrophysiques et cosmologiques être détectable en termes d'amplitude du signal et la fréquence, et reperrcute dans la conception des détecteurs actuels et futurs. Mais les modèles théoriques ne sont pas seulement utiles pour la conception du détecteur, mais sont également un élément essentiel du processus de découverte. Le faible rapport signal / bruit de détecteurs de détection devient un défi qui ne peut être surmonté que si l'on utilise des techniques spécifiques telles que le filtrage par reconnaissance de formes (assortis de filtrage). Dans ces techniques, les modèles d'ondes de gravité fournies par la modélisation des sources sont d'une importance cruciale pour aider à l'analyse des données. En outre, les modèles théoriques sont nécessaires pour interpréter ces ondes et extraire son contenu physique, qui est à la fin, le but ultime de l'astronomie des ondes gravitationnelles. L'un des scénarios les plus intéressants astrophysiciens regarder où ondes de gravité est l'effondrement gravitationnel des noyaux d'étoiles massives en fer (M> 8 M_sol). L'objet résultant, d'un proto-oncogène estrella neutrons (PNS) ou un trou noir entouré po 8 Ra dis- 1ff8 collaboration accrétion, est à la base des modèles de certains des phénomènes les plus énergiques univers observable: supernovae de type Ib / Ic / II éruptions Le gamma (GRB) et la formation des jets. Ce sont prometteuses sources d'ondes gravitationnelles, et sa recherche théorique est d'un grand intérêt pour comprendre les implications de ses remarques. Le principal objectif de cette thèse est l'étude du rayonnement gravitationnel produite dans un scénario en particulier, l'effondrement gravitationnel de la rotation des noyaux stellaires et de l'évolution de la PNS cette forme. * Des vagues de l'effondrement gravitationnel des noyaux stellaires rayonnement électromagnétique et les neutrinos ne sont pas les seules émissions provenant d'une explosion de supernova. Le mouvement mondial de l'effondrement des étoiles, sautille autour de la densité à celles du nucléaire, et des asymétries dans le noyau, produisant un éclair (en rafale) pour les ondes de gravité. Selon l'étoile tour en tant que parents et le cas échéant de l'effondrement, les ondes de gravité sont émis à partir d'un type différent [Zwerger 1997]. Bien que l'amplitude des estimations réalistes pour les parents en dehors de notre galaxie sont petites pour être détectées par des détecteurs actuels d'ondes gravitationnelles [Mueller 2004], d'autres procédés peuvent produire des ondes de gravité plus intense après l'effondrement. En particulier, les mouvements de convection, après l'onde de choc produit par les dépôts de l'énergie des neutrinos émis dans le PNS, peut conduire à encore plus élevé pour des amplitudes tournait lentement noyaux [Mueller 2004]. En outre, la protolangue estrella neutrons est en soi une source prometteuse d'ondes gravitationnelles détectables. Pour les rythmes de degrés de rotation et la rotation différentielle suffisamment élevé instabilités développer non axisimétricas sur les échelles de temps dynamique (Toutefois, ces chiffres peuvent ne pas être réaliste dans la mesure où il n'était pas connu d'évolution chemin qui conduit à la création de la PNS rythmes de rotation requise.) Que la volatilité des taux d'appel bars [Tohline 1985, Shibata 2002], qui produit des signaux forts des ondes de gravité. Lorsque l'étoile à neutrons a refroidi à environ 10E10 K peut être subordonnée à ce que l'on appelle l'instabilité de Chandrasekhar - Friedman - Schutz [Chandrasekhar 1970; Friedman & Schutz 1978] et devient une importante source d'ondes gravitationnelles [voir Stergioulas 2003 pour plus d'informations ]. En conséquence, une modélisation en détail la transformation de la PNS chaud au froid NS est essentiel d'être en mesure de faire des prévisions à l'émission d'ondes gravitationnelles des étoiles à neutrons. Une attention particulière devrait être consacrée à des rythmes de rotation, le moment angulaire de la distribution ainsi que la structure et l'intensité du champ magnétique. * Physiques impliquées dans la chute afin de bien étudier l'effondrement gravitationnel des noyaux de fer et les ondes de gravité émises par elle, vous devez inclure une certaine quantité d'ingrédients. Nous résumons ici les plus importantes à prendre en compte: - la relativité générale: La masse impliquées dans la chute est de l'ordre de 1 M_sol. Dans la phase finale de l'effondrement, cette masse est verrouillé dans le PNS, d'un rayon de quelques dizaines de kilomètres. Pour ces paramètres de façon compacte, les effets de la relativité générale commencent à apparaître, et la gravité Newtoniana n'est pas suffisante pour décrire l'équilibre et la dynamique du système [voir par exemple le chapitre. ~ 29 de Misner, Thorne et Wheeler, 1973]. Équation de l'état de matière nucléaire: Il faut une description de la thermodynamique de l'énergie nucléaire à estimer correctement la dynamique de l'ensemble du processus, comment il est produit et de rebond de la configuration définitive de la PNS [voir Glendenning 1997, Prakash 2001 pour plus d'informations ]. - Transports de neutrinos: il s'agit d'un aspect crucial dans la modélisation d'être en mesure de décrire le mécanisme de l'explosion retardée, ainsi que le refroidissement de la nouvelle PNS menant à la finale NS [voir Janka 2005y références qui y sont cités]. - Les champs magnétiques: Certaines observations suggèrent la présence de champs magnétiques sur la scène de l'effondrement et les objets. La découverte d'anomalies des pulsars à rayons X et Soft Gamma-Ray Répéteurs, interprété comme les étoiles à neutrons fortement magnetizadas (magnetares) [Duncan 1992, Thompson 1996, Kou 1999], rend l'étude de l'effondrement magnétisée être d'un grand intérêt. - Autres mécanismes de transport d'énergie: Probablement il existe d'autres mécanismes de transport d'énergie à l'intérieur du noyau qui jouent un rôle important dans la dynamique de l'effondrement, et ne doivent pas être méprisés. Certains de ces facteurs sont la convection, la turbulence, le transport et la diffusion par radiatif viscosité. Il convient de souligner que la prise en compte de tous ces effets dans un code numérique ne pouvait être entrepris aujourd'hui, principalement parce que le coût de calcul prohibitif tant dans la mémoire et dans le temps de calcul. Il faut donc quelques simplifications dans les simulations nécessaires pour décrire la très dynamique non linéaire de l'effondrement de noyaux stellaires. Cadre théorique *** *** Le cadre général utilisé dans cette thèse est celui de la relativité générale dans le formalisme 3 +1 [Lichnerowicz 1944, Foures 1952]. Ce formalisme, tel que décrit au chapitre 2, nous permet de feuilleter l'espace-temps d'une série de hipersuperficies espace sans intersections, paramétré par le même temps. Ainsi, chaque espace de dimension hypersurface contenant plein d'une certaine valeur du temps lui-même. Ce type de feuilletage de l'espace nous permet de traiter le problème des changements les équations d'Einstein comme un problème de conditions initiales, à partir de laquelle le contenu de l'énergie et de matière hypersurface dans un système donné peut évoluer au fil du temps. Cette décomposition laisse encore certains paramètres fixés librement. Nous allons préciser comment les coordonnées décrivant hipersuperficies espace, et notamment la manière dont l'espace-temps folia (tranchage). Pour ce faire, nous devons imposer quatre conditions jauge. Le choix de ces est essentiel à la bonne résolution du problème, en particulier si elle implique la résolution numérique des équations d'Einstein. En outre, la résolution du système complet d'équations d'Einstein est généralement un problème de grande difficulté. Par conséquent, il peut être souhaitable, au moins dans certains cas, effectuer un certain rapprochement pour faciliter la résolution des équations sans éliminer tout élément essentiel. Dans le chapitre 3 décrit les équations qui régissent la dynamique des fluides et des champs magnétiques dans le formalisme 3 +1 de la relativité générale. Ces équations sont exprimés de manière adéquate pour leur résolution numérique. Nous supposons que le fluide modelamos est à la fois un fluide parfait (sans viscosité) comme un parfait conducteur (état des magnetohidrodinámica idéal). Dans ces conditions, les équations sont considérablement simplifiées. Au chapitre 5, nous présentons une nouvelle approche pour les équations d'Einstein du champ gravitationnel, que nous appelons CFC +. Cette approche est basée sur une correction de second ordre dans le développement post-conflit Newtoniano de paramètres en ligne de plats, c'est-à-dire les CFC + représente une extension du rapprochement des CFC (ou Isenberg -- Wilson -- Mathews), tel que décrit dans le chapitre 4. Le calcul de l'extension du système d'équations se fait dans le plus grand détail, ainsi que les conditions limites, il est nécessaire d'appliquer le système à résoudre numériquement. Tous les équations CFC + sont elliptiques, dans un deuxième ordre après la Newtoniano le caractère hyperbolique des équations d'Einstein disparaît. Notez également que le fait de ne pas résoudre des équations elliptiques assure la stabilité de la solution numérique numériques et d'éviter certains problèmes qui peuvent apparaître dans évolu- 8 uciones 1ff8 à long terme des systèmes avec une intense gravité (trous noirs) lors de l'utilisation de la formulation 3 +1 de l'ensemble de la Relativité. D'autre part, le prix à payer pour l'utilisation du rapprochement CFC + est le manque de réaction du rayonnement gravitationnel dans la dynamique, responsable de l'extraction de l'énergie et de moment angulaire du système porté par les ondes de gravité. Mais, dans les scénarios, nous utilisons cette approche, cet effet peut être considéré comme négligeable puisque les pertes d'énergie sont négligeables dans les échelles de temps dynamique. Suppression des ondes de gravité est décrite dans le chapitre 6, et est exécutée par la formule cuadrupolar d'Einstein - - Landau Lifshitz. Cette formule intègre le mot clé dans le rapprochement des vitesses faibles, et il mène plusieurs polaire développement de la métrique à l'avenir infini nulle, ainsi que d'un développement après la Newtoniano de sources de premier ordre (newtonienne). Elle donne également une relation entre les ondes gravitationnelles donnée par la formule cuadrupolar et le comportement asymptotique de la métrique dans le rapprochement des CFC +. Méthodes numériques *** *** chapitre 7 est consacré à la description des méthodes numériques employées dans la résolution des équations de l'hydrodynamique (magnéto-optiques) de la relativité générale. La résolution de ces équations doit être menée d'une manière qui respecte les lois de conservation de représentant (énergie, de temps et le nombre de baryons). Pour utiliser cette méthode de la capture haute résolution chocs (SCDH son sigle en anglais) [voir par exemple Leveque 1990, Toro 1999, Marti 2002, Font 2003], qui permettent de résoudre les systèmes hyperboliques de lois de la conservation, en utilisant une méthode qui décrit correctement la formation Et la propagation des ondes de choc. Le cas des équations de la magnéto-optiques hidrodinámica idéal est distincte et supplémentaire à l'équation est introduite (équation d'induction) a également besoin d'un traitement spécial. Pour la divergence du champ magnétique est maintenue à zéro au cours de l'évolution, à savoir le maintien du flux magnétique, nous utilisons la méthode des flux - CT [Evans 1988]. En particulier, nous utilisons la formule [Anton 2006], ce qui rend l'utilisation d'un linéaire de reconstruction de la ligne primitive variables et des modes de calcul de la concentrant flux numérique [Kurganov et coll. 2000]. Le chapitre 8 est consacré aux méthodes numériques utilisées pour résoudre les équations de la métrique, soit approximative ou CFC dans son extension CFC +. Toutes les équations qui nous sont de nature elliptique, et peut être exprimée comme pseudo ecuaciones Poisson. Les différentes méthodes utilisées dépendent les différentes étapes de calcul de la métrique CFC +. Tout d'abord, elle calcule le potentiel de Newton grâce à l'élargissement de la partie angulaire de l'équation de symétrie axiale en polinómios Legendre [Mueller et coll. 1995, Zwerger et coll. 1995]. La deuxième étape consiste à calculer la traverser sans laisser de trace et de la 3 - métrica. Ce calcul est réduit à résoudre des systèmes d'équations linéaires Poisson, qui se fait par le biais d'investissements directs système discretizado exprimé sous forme matricielle. Le système d'investissement est réalisé au travers des LU de décomposition, ce qui augmente l'efficacité du système numérique utilisé dans ces équations. Enfin résout système CFC modifié par les corrections 2PN CFC +, qui se compose de cinq elliptique équations non linéaires couplées. Pour chaque équation, nous utilisons les mêmes resolvedor Poisson dans le cas du potentiel de Newton, fait un point fixe itération pour obtenir la convergence. *** *** * Conclusions CFC +: dynamique de l'effondrement gravitationnel et le rayonnement améliorée. Dans le chapitre 9 de cette théorie ont effectué des tests et des simulations de l'effondrement de rotation stellaire carottes selon la nouvelle approche CFC +, présenté dans le chapitre 5. Des essais ont été effectués pour vérifier son applicabilité à la simulation de l'espace pour les étoiles à neutrons en rotation, que ce soit en équilibre ou configurations résultant de l'effondrement gravitationnel des noyaux stellaires. Nous aussi comparer la nouvelle approche CFC + avec le rapprochement des CFC utilisés par [Dimmelmeier et coll. 2002, a, b] dans deux scénarios différents, des oscillations d'étoiles à neutrons et des noyaux stellaires à s'effondrer NS. Dans le cas des impulsions NS, nous n'avons pas trouvé de différence dans le calcul de la fréquence des modes cuasi - normales de ces objets, même dans les situations les plus extrêmes (par exemple avec la rotation Kepleriana, près de la limite de perte de masse par roulement) . Nous avons également été en mesure de comparer nos résultats directement avec les simulations en relativité générale, sans les approximations, le retour excellent accord. Nos simulations de l'effondrement de la rotation des noyaux de couvrir les différents types d'effondrement étudié par [Dimmelmeier et al.2002b], y compris un cas extrême d'un noyau avec des taux de rotation élevé et une différence de près de la structure torique. Encore une fois, il n'ya pas eu de différences significatives entre les deux méthodes utilisées. Par conséquent, nous pouvons conclure que les corrections de second ordre après Newtoniano de CFC paramètres n'améliorent pas sensiblement les résultats de la dynamique de l'effondrement d'une étoile noyaux d'étoiles à neutrons, ou la dynamique de l'étoile à neutrons. Comme pour l'extraction du rayonnement gravitationnel n'ont pas vu de différences substantielles entre les CFC et les CFC +. La comparaison a été faite en utilisant la formule cuadrupolar d'Einstein - Landau - Lifshitz, couramment utilisé dans la littérature pour attirer onde. Nous avons également calculé les ondes de gravité directement à partir des composantes de la métrique CFC +. Même si ce dernier mode de calcul des formes d'onde ne peut être considéré comme une méthode de calcul des ondes, fournit un test de la cohérence de l'approche CFC + servent à valider le schéma numérique utilisé dans le calcul de la métrique. La principale conclusion du chapitre 9 est de confirmer le montant approximatif des CFC comme une bonne solution de rechange pour les équations d'Einstein complète scénarios axisimétricos impliquant des étoiles à neutrons en rotation, en équilibre, état final de l'effondrement. Ces conclusions sont fondées sur deux faits: d'abord, nous avons démontré que la correction du second ordre après Newtoniano ne jouent pas un rôle important, soit dans la dynamique soit sous la forme d'ondes de gravité émises dans l'effondrement. Cela donne à penser que des corrections d'ordre supérieur sont complètement négligeables, du moins à des échelles de temps dynamique. Deuxièmement, la comparaison directe des CFC approximative des simulations dans la relativité générale a récemment été fait par [Shibata et coll. 2004] dans le cadre de simulations de l'effondrement de noyaux stellaires à symétrie axiale. Là encore, les différences constatées dans la dynamique et dans la forme de vagues ne sont pas significatifs, qui souligne l'applicabilité de CFC (CFC et +) pour effectuer précis de simulation de ces scénarios, sans la nécessité de résoudre le système d'équations d'Einstein. * Réduire magnétisée au chapitre 10 présente des simulations de l'effondrement des noyaux stellaires magnetizados tournantes, ainsi que des tests qui valident l'approximation numérique utilisée pour résoudre les équations de magnéto-optiques hidrodiámica idéal dans la relativité générale. Il a conçu une méthode pour calculer les configurations stationnaires étoiles faiblement magnetizadas dans la relativité générale, soit avec toroïdale composant ou poloidal (ou les deux) du champ magnétique. Utilisé approximative domaine passifs (ou des essais sur le terrain) pour les premiers modèles, dans lequel la pression est magnétique de plusieurs ordres de grandeur inférieure à la pression du fluide (thermique). Des essais ont également été effectués pour vérifier la pr 8 ecisión 13e2 et de la convergence des propriétés de l'extension `` magnetizada "notre code numérique. Le résultat est un ordre d'une plus grande convergence dans le champ magnétique dans tous les tests. Lors de l'arrêt afin de convergence est obtenue est plus de deux. Ces résultats sont compatibles avec la seconde commande, spatiale et temporelle du modèle numérique utilisé uniquement réduite pour le premier ordre dans les affrontements. Il prévoit la résolution nécessaire à l'évolution du champ magnétique correctement dans une simulation de l'effondrement des noyaux stellaires. Erreurs dans tous les cas où la solution est connue théoriques sont inférieurs à 0,1%, sauf dans les affrontements, qui sont correctement saisis dans un couple de cellules numériques utilisant SCDH régimes. En ce qui concerne la simulation de l'effondrement des noyaux magnetizados sur l'alignement de CFC, ont été constatés des cas de champ magnétique purement poloidal lors de la visite initiale (fourchette D3M0) et purement torique (série T3M0), dans la zone approximative passif. Modèles D3M0 s'inscrivent dans le prolongement de la relativité générale certains des modèles considérés par [Obergaulinger et coll. 2005] gravité Newtoniana et magnéto-optiques hidrodinámica idéal. Notre intention est de comparer la dynamique et des ondes gravitationnelles avec ces résultats précédents. Non, ils sont des différences qualitatives dans les modèles étudiés, bien que l'ampleur du champ magnétique dans la reprise et par la suite si CFC est toujours inférieure (50-80%) que dans le cas de Newton. Chaque ensemble de modèles, le gain le champ magnétique provient d'une manière différente. Alors que dans les modèles D3M0 la liquidation des lignes du champ poloidales dans torique lignes due à la rotation différentielle (dínamo - Omega), est le principal mécanisme de l'amplification de l'effondrement, dans les modèles T3M0 le champ magnétique est amplifié seulement en raison de la radiale de compression , Puisque la composante poloidal domaine est absent en évolution. Trouvé que parce que les modèles étudiés, dínamo - Omega est beaucoup plus efficace d'amplifier le champ magnétique de compression de radio. Par conséquent, la composante toroïdale du champ magnétique à la fin de la tendance est plus faible dans les modèles T3M0 que les modèles D3M0, s'il n'ya pas de tel composant initialement. À la fin de nos simulations de fluide variables d'atteindre un état de cuasi - equilibrio. Afin modèles D3M0 proto-communiste estrella neutrons a formé un noyau / gestionnaire ". Principales, où la densité nucléaire a été réalisé, l'élément dominant du champ magnétique est le poloidal, et les profils de rotation sont pratiquement plat, C'est-à-dire le noyau de la tournée PNS rigide. En outre, la gaine qui l'entoure se transforme différemment, et donc le champ magnétique toroïdal composante domine dans cette région en raison de ce mécanisme de dínamo - Omega. Cet effet produit une croissance soutenue linéaire de la composante toroïdale après le rebond. En l'absence d'autres procédés, le champ magnétique est saturaria dans ~ 1 s en valeurs B_phi ~ 10E15 G. Dans les modèles T3M0 la dínamo - Omega est pas car il n'existe aucun élément actif poloidal champ magnétique. Par conséquent, pour atteindre un état cuasi - PNS equilibrio, le champ magnétique demeure stationnaire. Autres mécanismes de l'amplification du champ peut agir si elle n'est pas jugée approximative domaine passive ou supprime la condition axisimetría. On a estimé l'effet d'amplification mécanisme probablement dominante, à savoir l'instabilité magnéto-optiques rotacional (IRM). Constaté que pendant la chute, l'échelle de temps typique de la façon qui croît le plus rapidement dans l'IRM est d'environ 1 s, et donc pas d'incidence sur le stade de l'effondrement. Toutefois, après le rebond, il ya deux régions qui pourraient développer IRM: la région après le choc et la région entourant la convecting PNS. Dans les deux régions, le temps estimé échelle de l'IRM, ~ 1 m, est à l'ordre de l'échelle de temps dynamique. Les simulations sans approximative du passif et résolument terrain assez grand, il est prévu que le MRI est développé dans ces régions et de sa dynamique couramment en quelques millisecondes.

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