Multiskalensimulationen von Schwarzlochakkretion in Balkengalaxien

Jung, Manuel

Balkenspiralgalaxien zeichnen sich nicht nur durch ihre namensgebenden Spiralarme und stellare Balken aus, sondern können, induziert durch das Drehmoment des Balkens, zahlreiche Strukturen in der dünnen Gasscheibe ausbilden. Zu diesen Strukturen zählen unter anderem nukleare Ringe, innere Spiralen und Staubarme. Das Ziel dieser Arbeit ist, den Einfluss eines stellaren Balkens in einer Spiralgalaxie auf die dünne selbstgravitierende Gasscheibe zu untersuchen. Dabei stehen vor allem die Akkretion auf das zentrale, massereiche Schwarze Loch und dessen verschiedene Entwicklungspfade im Vordergrund. Ein 2D Finite-Volumen-Verfahren zum Lösen von Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und Energie wird für die Simulation der Gasscheibe verwendet. Die exakte Erhaltung von Drehimpuls und Gesamtenergie spielt eine zentrale Rolle bei der Untersuchung von Akkretionsscheiben und wird in dieser Arbeit durch die Implementierung eines modifizierten Transportverfahrens sichergestellt. Es werden isotherme und nicht isotherme Multiskalensimulationen mit unterschiedlich massereichen Gasscheiben, sowie unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten, beziehungsweise Kühlungsparametern untersucht. Sowohl in isothermen als auch nicht-isothermen Simulationen können zwei verschiedene Akkretionsmodi identifiziert werden, welche teilweise zu einem effektiven Schwarzlochwachstum führen. Die Akkretionsströmung wird getrieben durch gravitativ instabile Akkretionsscheiben, Energiedissipation an Stoßfronten und stark exzentrische Orbits. Die durch den Balken typischerweise erzeugten Strukturen können in den Simulationen beobachtet werden, falls sie nicht durch gravitativ-instabiles Verhalten dominiert werden. In den meisten Simulationen ist eine starke Abhängigkeit der Akkretion vom Gasfluss in die innere Region aus der Kiloparsec-Region erkennbar.

The outstanding features of barred spiral galaxies are not only their characteristic spiral arms and stellar bars. They also form a variety of structures within the thin gas disc, induced by the non-axisymmetric bar torques. Among these structures are nuclear rings, inner spirals and dust-lanes. The M-Sigma-relation suggestes a strong correlation between the mass of the central black-hole and the velocity dispersion of the bulge within a galaxy. Therefore a connection between the black-hole evolution and the galaxy on much bigger scales cannot be dismissed. The aim of this work is to investigate the influence of a stellar bar in a spiral galaxy on the thin self-gravitating gas disc. The focus lies on the accretion of gas onto the central massive black-hole and its time evolution. A 2D finite-volume scheme, which solves the conservation equations of mass, momentum and energy, is used to simulate a gas disc. The accurate conservation of angular momentum and energy is of great importance for the research of accretion discs. In this work it is ensured by implementing a modified transport scheme. Isothermal as well as non-isothermal multi-scale simulations of a gas disc with varying masses and speeds of sound, respectively cooling parameters are explored. Both, isothermal and non-isothermal simulations, show two different accretion types, which sometimes lead to efficient black-hole feeding. The accretion is driven by a gravitationally unstable accretion disc, energy dissipation at strong shocks and very excentric orbits. The bar induced structures can be observed in the simulations, which are not dominated by gravitational instabilites. Most simulations show a strong dependence of the gas accretion flow into the inner disc region on the kiloparsec region.

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Jung, Manuel: Multiskalensimulationen von Schwarzlochakkretion in Balkengalaxien. 2016.

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