TY  - THES
A1  - Vu, Nils Leif
T1  - A task-based parallel elliptic solver for numerical relativity with discontinuous Galerkin methods
N2  - Elliptic partial differential equations are ubiquitous in physics. In numerical relativity---the study of computational solutions to the Einstein field equations of general relativity---elliptic equations govern the initial data that seed every simulation of merging black holes and neutron stars. In the quest to produce detailed numerical simulations of these most cataclysmic astrophysical events in our Universe, numerical relativists resort to the vast computing power offered by current and future supercomputers. To leverage these computational resources, numerical codes for the time evolution of general-relativistic initial value problems are being developed with a renewed focus on parallelization and computational efficiency. Their capability to solve elliptic problems for accurate initial data must keep pace with the increasing detail of the simulations, but elliptic problems are traditionally hard to parallelize effectively.

In this thesis, I develop new numerical methods to solve elliptic partial differential equations on computing clusters, with a focus on initial data for orbiting black holes and neutron stars. I develop a discontinuous Galerkin scheme for a wide range of elliptic equations, and a stack of task-based parallel algorithms for their iterative solution. The resulting multigrid-Schwarz preconditioned Newton-Krylov elliptic solver proves capable of parallelizing over 200 million degrees of freedom to at least a few thousand cores, and already solves initial data for a black hole binary about ten times faster than the numerical relativity code SpEC. I also demonstrate the applicability of the new elliptic solver across physical disciplines, simulating the thermal noise in thin mirror coatings of interferometric gravitational-wave detectors to unprecedented accuracy. The elliptic solver is implemented in the new open-source SpECTRE numerical relativity code, and set up to support simulations of astrophysical scenarios for the emerging era of gravitational-wave and multimessenger astronomy.
N2  - Elliptische partielle Differentialgleichungen sind in der Physik allgegenwärtig. Das elektrische Feld einer Ladung, die Gravitation der Erde, die Statik einer Brücke, oder die Temperaturverteilung auf einer heißen Herdplatte folgen trotz verschiedenster zugrundeliegender Physik elliptischen Gleichungen ähnlicher Struktur, denn es sind statische, also zeitunabhängige Effekte. Elliptische Gleichungen beschreiben auch astrophysikalische Szenarien von kataklysmischen Ausmaßen, die jegliche Gegebenheiten auf der Erde weit überschreiten. So werden Schwarze Löcher und Neutronensterne -- zwei mögliche Endstadien von massereichen Sternen -- ebenfalls von elliptischen Gleichungen beschrieben. In diesem Fall sind es Einstein's Feldgleichungen von Raum, Zeit, Gravitation und Materie. Da Schwarze Löcher und Neutronensterne mehr Masse als unsere Sonne auf die Größe einer Stadt wie Potsdam komprimieren übernimmt die Gravitation, und damit Einstein's allgemeine Relativitätstheorie, die Kontrolle. Es ist die Aufgabe der numerischen Relativität, Szenarien wie die Kollision solcher gewaltigen Objekte mithilfe von Supercomputern zu simulieren und damit die Gravitationswellensignale vorherzusagen, die von Detektoren auf der Erde gemessen werden können. Jede dieser Simulationen beginnt mit Anfangsdaten, die elliptische Gleichungen erfüllen müssen.

In dieser Dissertation entwickle ich neue numerische Methoden um elliptische partielle Differentialgleichungen auf Supercomputern zu lösen, mit besonderem Augenmerk auf Anfangsdaten für Simulationen von Schwarzen Löchern und Neutronensternen. Ich entwickle dafür eine sogenannte discontinuous Galerkin Methode um elliptische Gleichungen auf Computern zu repräsentieren, sowie eine Reihe von Algorithmen um diese Gleichungen anschließend schrittweise numerisch zu lösen bis sie die notwendige Präzision erfüllen. Die Besonderheit dieser Algorithmen liegt in ihrer Eigenschaft, in viele Teilprobleme zerlegt auf einer großen Zahl von Rechenkernen parallel arbeiten zu können. Dieses task-based parallelism ermöglicht die effektive Verwendung von Supercomputern. Ich demonstriere die Fähigkeit meiner Algorithmen, Berechnungen von über 200 Millionen Unbekannten mit hoher Effizienz auf mindestens einige Tausend Rechenkerne verteilen zu können, und Anfangsdaten zweier sich umkreisender Schwarzer Löcher bereits etwa zehnmal schneller zu lösen als der langjährig verwendete Computercode SpEC. Außerdem zeige ich, dass mein neuer Code auch außerhalb der Relativitätstheorie anwendbar ist. Dazu simuliere ich thermisches Rauschen in den Beschichtungen von Spiegeln, das ebenfalls von elliptischen Gleichungen beschrieben wird. Solche Spiegel sind Objekt großen Forschungsinteresses, da sie ein zentrales Element von Gravitationswellendetektoren darstellen. Mein Code zur numerischen Lösung elliptischer Gleichungen ist Teil des kollaborativen und quelloffenen SpECTRE Forschungsprojekts zur Simulation astrophysikalischer Szenarien für die aufstrebende Ära der Gravitationswellen- und Multimessenger-Astronomie.
KW  - numerical relativity
KW  - task-based parallelism
KW  - discontinuous Galerkin methods
KW  - elliptic partial differential equations
KW  - black holes
KW  - initial data
KW  - high-performance computing
KW  - iterative methods for sparse linear systems
KW  - gravitational waves
KW  - thermal noise in mirror coatings
KW  - numerische Relativität
KW  - elliptische partielle Differentialgleichungen
KW  - schwarze Löcher
KW  - Anfangsdaten
KW  - Hochleistungscomputer
KW  - iterative Methoden zur Lösung linearer Systeme
KW  - Gravitationswellen
KW  - thermisches Rauschen in Spiegelbeschichtungen
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-562265
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mösta, Philipp
T1  - Novel aspects of the dynamics of binary black-hole mergers
T1  - Neue Aspekte der Dynamik von Kollisionen binärer schwarzer Löcher
N2  - The inspiral and merger of two black holes is among the most exciting and extreme events in our universe. Being one of the loudest sources of gravitational waves, they provide a unique dynamical probe of strong-field general relativity and a fertile ground for the observation of fundamental physics. While the detection of gravitational waves alone will allow us to observe our universe through an entirely new window, combining the information obtained from both gravitational wave and electro-magnetic observations will allow us to gain even greater insight in some of the most exciting astrophysical phenomena. In addition, binary black-hole mergers serve as an intriguing tool to study the geometry of space-time itself. In this dissertation we study the merger process of binary black-holes in a variety of conditions. Our results show that asymmetries in the curvature distribution on the common apparent horizon are correlated to the linear momentum acquired by the merger remnant. We propose useful tools for the analysis of black holes in the dynamical and isolated horizon frameworks and shed light on how the final merger of apparent horizons proceeds after a common horizon has already formed. We connect mathematical theorems with data obtained from numerical simulations and provide a first glimpse on the behavior of these surfaces in situations not accessible to analytical tools. We study electro-magnetic counterparts of super-massive binary black-hole mergers with fully 3D general relativistic simulations of binary black-holes immersed both in a uniform magnetic field in vacuum and in a tenuous plasma. We find that while a direct detection of merger signatures with current electro-magnetic telescopes is unlikely, secondary emission, either by altering the accretion rate of the circumbinary disk or by synchrotron radiation from accelerated charges, may be detectable. We propose a novel approach to measure the electro-magnetic radiation in these simulations and find a non-collimated emission that dominates over the collimated one appearing in the form of dual jets associated with each of the black holes. Finally, we provide an optimized gravitational wave detection pipeline using phenomenological waveforms for signals from compact binary coalescence and show that by including spin effects in the waveform templates, the detection efficiency is drastically improved as well as the bias on recovered source parameters reduced. On the whole, this disseration provides evidence that a multi-messenger approach to binary black-hole merger observations provides an exciting prospect to understand these sources and, ultimately, our universe.
N2  - Schwarze Löcher gehören zu den extremsten und faszinierensten Objekten in unserem Universum. Elektromagnetische Strahlung kann nicht aus ihrem Inneren entkommen, und sie bilden die kompaktesten Objekte, die wir kennen. Wir wissen heute, dass in den Zentren der meisten Galaxien sehr massereiche schwarze Löcher vorhanden sind. Im Fall unserer eigenen Galaxie, der Milchstrasse, ist dieses schwarze Loch ungefähr vier Millionen mal so schwer wie unsere Sonne. Wenn zwei Galaxien miteinander kollidieren, führt dies auch dazu, dass ihre beiden schwarzen Löcher kollidieren und zu einem einzelnen schwarzen Loch verschmelzen. Das Simulieren einer solchen Kollision von zwei schwarzen Löchern, die Vorhersage sowie Analyse der von ihnen abgestrahlten Energie in Form von Gravitations- und elektromagnetischen Wellen, bildet das Thema der vorliegenden Dissertation. Im ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir die Verschmelzung von zwei schwarzen Löchern unter verschiedenen Gesichtspunkten. Wir zeigen, dass Ungleichmässigkeiten in der Geometrie des aus einer Kollision entstehenden schwarzen Loches dazu führen, dass es zuerst beschleunigt und dann abgebremst wird, bis diese Ungleichmässigkeiten in Form von Gravitationswellen abgetrahlt sind. Weiterhin untersuchen wir, wie der genaue Verschmelzungsprozess aus einer geometrischen Sicht abläuft und schlagen neue Methoden zur Analyse der Raumzeitgeometrie in Systemen vor, die schwarze Löcher enthalten. Im zweiten Teil dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit den Gravitationswellen und elektromagnetischer Strahlung, die bei einer Kollision von zwei schwarzen Löchern freigesetzt wird. Gravitationswellen sind Wellen, die Raum und Zeit dehnen und komprimieren. Durchläuft uns eine Gravitationswelle, werden wir in einer Richtung minimal gestreckt, während wir in einer anderen Richtung minimal zusammengedrückt werden. Diese Effekte sind allerdings so klein, dass wir sie weder spüren, noch auf einfache Weise messen können. Bei einer Kollision von zwei schwarzen Löchern wird eine grosse Menge Energie in Form von Gravitationswellen und elektromagnetischen Wellen abgestrahlt. Wir zeigen, dass beide Signale in ihrer Struktur sehr ähnlich sind, dass aber die abgestrahlte Energie in Gravitationswellen um ein Vielfaches grösser ist als in elektromagnetischer Strahlung. Wir führen eine neue Methode ein, um die elektromagnetische Strahlung in unseren Simulationen zu messen und zeigen, dass diese dazu führt, dass sich die räumliche Struktur der Strahlung verändert. Abschliessend folgern wir, dass in der Kombination der Signale aus Gravitationswellen und elektromagnetischer Strahlung eine grosse Chance liegt, ein System aus zwei schwarzen Löchern zu detektieren und in einem weiteren Schritt zu analysieren. Im dritten und letzen Teil dieser Dissertation entwickeln wir ein verbessertes Suchverfahren für Gravitationswellen, dass in modernen Laser-Interferometerexperimenten genutzt werden kann. Wir zeigen, wie dieses Verfahren die Chancen für die Detektion eines Gravitationswellensignals deutlich erhöht, und auch, dass im Falle einer erfolgreichen Detektion eines solchen Signals, seine Parameter besser bestimmt werden können. Wir schliessen die Arbeit mit dem Fazit, dass die Kollision von zwei schwarzen Löchern ein hochinteressantes Phenomenon darstellt, das uns neue Möglichkeiten bietet die Gravitation sowie eine Vielzahl anderer fundamentaler Vorgänge in unserem Universum besser zu verstehen.
KW  - schwarze Löcher
KW  - elektromagnetische Strahlung
KW  - Allgemeine Relativitätstheorie
KW  - Gravitationswellen
KW  - Raumzeitgeometrie
KW  - black-holes
KW  - gravitational waves
KW  - electromagnetic counterparts
KW  - general relativity
KW  - space-time geometry
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-59820
ER  - 
TY  - THES
A1  - Löffler, Frank
T1  - Numerical simulations of neutron star - black hole mergers
T1  - Computersimulationen von Zusammenstößen eines schwarzen Lochs und eines Neutronensterns
N2  - Collisions of black holes and neutron stars, named mixed binaries in the following, are interesting because of at least two reasons. Firstly, it is expected that they emit a large amount of energy as gravitational waves, which could be measured by new detectors. The form of those waves is expected to carry information about the internal structure of such systems. Secondly, collisions of such objects are the prime suspects of short gamma ray bursts. The exact mechanism for the energy emission is unknown so far.  In the past, Newtonian theory of gravitation and modifications to it were often used for numerical simulations of collisions of mixed binary systems. However, near to such objects, the gravitational forces are so strong, that the use of General Relativity is necessary for accurate predictions.  There are a lot of problems in general relativistic simulations. However, systems of two neutron stars and systems of two black holes have been studies extensively in the past and a lot of those problems have been solved. One of the remaining problems so far has been the use of hydrodynamic on excision boundaries. Inside excision regions, no evolution is carried out. Such regions are often used inside black holes to circumvent instabilities of the numerical methods near the singularity. Methods to handle hydrodynamics at such boundaries have been described and tests are shown in this work.  One important test and the first application of those methods has been the simulation of a collapsing neutron star to a black hole. The success of these simulations and in particular the performance of the excision methods was an important step towards simulations of mixed binaries.  Initial data are necessary for every numerical simulation. However, the creation of such initial data for general relativistic situations is in general very complicated. In this work it is shown how to obtain initial data for mixed binary systems using an already existing method for initial data of two black holes.  These initial data have been used for evolutions of such systems and problems encountered are discussed in this work. One of the problems are instabilities due to different methods, which could be solved by dissipation of appropriate strength. Another problem is the expected drift of the black hole towards the neutron star. It is shown, that this can be solved by using special gauge conditions, which prevent the black hole from moving on the computational grid.  The methods and simulations shown in this work are only the starting step for a much more detailed study of mixed binary system. Better methods, models and simulations with higher resolution and even better gauge conditions will be focus of future work.  It is expected that such detailed studies can give information about the emitted gravitational waves, which is important in view of the newly built gravitational wave detectors. In addition, these simulations could give insight into the processes responsible for short gamma ray bursts.
N2  - Zusammenstöße eines schwarzen Lochs und eines Neutronensterns, im Folgenden "gemischte Zusammenstöße" genannt, sind aus wenigstens zwei Gründen interessant. Erstens wird erwartet, dass dabei große Mengen Energie als Gravitationswellen freigesetzt werden und diese mit neuen Detektoren gemessen werden können. Die Form dieser Wellen verrät viel über die Beschaffenheit eines solchen Systems und stellt neben elektromagnetischen Wellen eine wichtige Informationsquelle dar. Zweitens sind Zusammenstöße von kompakten Objekten wie Neutronensternen und schwarze Löchern sehr wahrscheinlich die Ursache sogenannter kurzer Gammastrahlungsblitze. Deren genauer Mechanismus für die Umwandlung der gewaltigen Energiemengen, die bei diesen Blitzen ausgesandt werden, ist jedoch bisher unbekannt.  Computersimulationen von Zusammenstößen eines gemischten Systems wurden bisher oft unter Benutzung der Newtonschen Gravitationstheorie, bzw. Korrekturen dazu, durchgeführt. In der Nähe so kompakte Objekte wie schwarzer Löcher oder Neutronensterne ist jedoch die Gravitationswirkung so stark, dass Näherungen wie die erwähnten Korrekturen der Newtonschen Gravitationstheorie zu ungenau sind. Eine Benutzung der allgemeinen Relativitätstheorie ist daher für dieses Problem unumgänglich.  Die Probleme allgemein-relativistischer Simulationen sind vielfältig. Jedoch wurden Binärsysteme zweier schwarzer Löcher und zweier Neutronensterne schon eingehend untersucht, und so viele Probleme, die auch Simulationen gemischter Systeme betreffen, gelöst. Eins der bisher ausstehenden Probleme war die Behandlung der Hydrodynamik an Ausschneiderändern; Rändern zu Gebieten, die in der Zeitentwicklung der Simulation ignoriert werden. Solche Ränder werden zum Beispiel innerhalb eines schwarzen Lochs benutzt, um Instabilitäten des Programms in der Nähe der Singularität zu vermeiden. Methoden, solche Ränder zu behandeln wurden in der Arbeit entwickelt, getestet und gezeigt, dass sie verlässlich arbeiten.  Ein wichtiger Test für diese Methoden, der gleichzeitig der Gewinnung neuer Erkenntnisse diente, war deren Anwendung auf Simulationen von zu schwarzen Löchern kollabierenden, rotierenden Sternen. Der Erfolg, diese Simulationen ohne Probleme mit den erwähnten Methoden durchzuführen, war ein wichtiger Schritt zu Simulationen gemischter Binärsysteme.  Für Computersimulationen sind Anfangsdaten notwendig, die das gewünschte Problem beschreiben. Die Erstellung solcher Anfangsdaten ist jedoch unter Benutzung der allgemeinen Relativitätstheorie ausser in Spezialfällen sehr komplex. Wir zeigen, wie man einen schon vorhandenen Algorithmus für Anfangsdaten für zwei schwarze Löcher ändern kann, um Anfangsdaten für ein gemischtes Binärsystem zu erhalten.  Diese Anfangsdaten wurden für Simulationen eines gemischten Binärsystems benutzt. Während dieser Simulationen traten mehrere Probleme auf. Zwei dieser Probleme waren numerische Instabilitäten unterschiedlicher Herkunft. Beide konnten jedoch mit angepasst starker Dissipation (der künstliche Entnahme von hochfrequenter Energie aus dem System) unterdrückt werden. Ein weiteres Problem war die erwartete Bewegung des schwarzen Lochs in Richtung des Neutronensterns. Da ein Teil des Simulationsgebietes innerhalb des schwarzen Lochs ausgeschnitten wird und das verwendete Programm bewegte Ausschneidegebiete nicht behandeln kann, darf sich das schwarze Loch jedoch auf dem Gitter kaum bewegen. Wir haben dieses Problem durch eine an das Problem angepasste Eichbedingung gelöst, die auf Bewegungen des scheinbaren Horizons reagiert und die Position des schwarzen Lochs auf diese Weise nahezu konstant hält.  Die Methoden und Simulationen dieser Arbeit sind nur der Anfangspunkt einer ausführlichen Studie von Binärsystemen eines schwarzen Lochs und eines Neutronensterns. Bessere Methoden, Modelle und Simulationen mit höherer Auflösung und besser an das System angepassten Koordinaten werden Mittelpunkt zukünftiger Arbeit sein.  Es wird erwartet, dass solche detailierten Studien Erkenntnisse über die abgestrahlten Gravitationswellen liefern, die gerade in Hinblick auf die neuen Gravitationswellendetektoren wichtig sind. Weiterhin könnten diese Simulationen dabei helfen, die Prozesse, die kurze Gammastrahlungsblitze hervorrufen, und über die im Moment kaum etwas bekannt ist, aufzuklären.
KW  - Relativistische Astrophysik
KW  - Neutronensterne
KW  - schwarze Löcher
KW  - neutron stars
KW  - black holes
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7743
ER  -