Numerical simulations of neutron star - black hole mergers

Computersimulationen von Zusammenstößen eines schwarzen Lochs und eines Neutronensterns

  • 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 theCollisions 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.show moreshow less
  • 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 NeutronensterneZusammenstöße 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.show moreshow less

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Metadaten
Author:Frank Löffler
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-7743
Advisor:Bernard F. Schutz
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2005
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2006/07/10
Release Date:2006/07/24
Tag:Neutronensterne; schwarze Löcher
black holes; neutron stars
GND Keyword:Relativistische Astrophysik
RVK - Regensburg Classification:US 1080
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
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Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik