Isotherme Modellierung kompressibler astrophysikalischer Fluide über kosmische Zeitskalen

Deschner, Stephan Christoph ORCID

Viele, oft sehr verschiedenartige, astrophysikalische Objekte weisen einen hohen Grad an Symmetrie auf. In dieser Arbeit führen Symmetrieannahmen zusammen m it der Isothermieannahme zu einem Modell, das es erlaubt, unterschiedliche physikalische Problemstellungen im Bereich der Astrophysik zu modellieren. Das Augenmerk liegt auf der Entwicklung von Supernovaüberresten und Aktiven Galaktischen Kernen. Es wird ein vollständiges mathematisches Modell isothermer Supernovaüberreste ausgearbeitet, das über die Annahme der Selbstähnlichkeit zu semi-analytischen Ausdrücken führt. Freie Parameter des Modells führen zu wichtigen Einschränkungen in der Modellierbarkeit isothermer Supernovaüberreste. Es wird gezeigt, dass eine isotherme Entwicklungsphase für Supernovaüberreste existiert und zwischen der bekannten Sedov-Taylor-Phase und der explosionsdominierten Phase eingegliedert werden kann. Aktuelle Beobachtungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Tycho verifizieren diese Aussage. Zur Theorie der Entwicklung Aktiver Galaktischer Kerne wird im zweiten Teil der Arbeit ein Programmpaket entwickelt. Dieses ist, aufgrund eines schnellen impliziten numerischen Zeitintegrationsverfahrens in der Lage, die dynamische Entwicklung einer Akkretionsscheibe um ein zentrales Schwarzes Loch innerhalb der Hubble-Zeit zu simulieren. Somit werden Untersuchungen ganzer Ensembles an Aktiven Galaktischen Kernen möglich. Die mathematische Formulierung basiert auf einer koordinatenfreien Darstellung, womit unterschiedlichste Objekte simuliert werden können, beispielsweise isotherme Supernovaüberreste. Das Programm wird ausgiebig getestet und die Auswirkungen unterschiedlicher Anfangsbedingungen auf das System untersucht. Es wird gezeigt, dass das vermutete schnelle Wachstum Aktiver Galaktischer Kerne im frühen Universum stark von der initialen Dichteverteilung sowie von der absoluten initialen Masse der Akkretionsscheibe abhängen.

Various astrophysical objects tend to have a high degree of symmetry which is useful in reducing the mathematical complexity of the governing model equations. The scope of this work lies in the application of both, the symmetry assumptions and the additional isothermal assumption. This leads to a wide range of astrophysical problems, especially supernova remnants and active galactic nuclei. The concept of self-similarity together with the above made assumptions are used to model the dynamics of supernova remnants, yielding semi-analytical solutions for such problems. Important restrictions of the mathematical theory are investigated, showing great importance in the expansion process of supernova remnants. Further, the existence of an isothermal phase in the development of supernova remnants is shown. Moreover it is found, that this phase may be the link between the previously known Sedov-Taylor-phase and the explosion-dominated phase. This finding is supported by recently made investigations due to the shock velocity of Tycho which is in good agreement with the findings of the isothermal, self-similar model. The second part of this work deals with the development of a numerical scheme capable of solving the governing equations of the dynamics of an accretion disk around a massive central black hole, also known as active galactic nuclei. This scheme allows to simulate on cosmic timescales due to an efficient implicit numerical integration scheme. Hence, the investigation of numerous active galactic nuclei is possible, meaning to simulate the mass accretion of whole ensembles. The mathematical scheme is based on a coordinate free formulation permitting a wide range of applicable scenarios, for example the previously investigated supernova remnants. Widely discussed test cases are followed by an investigation of initial density conditions to the system. It is shown, that an assumed fast growth of a central black hole surrounded by an accretion disk depends strongly on the initial density distribution and the initial disk mass.

Zitieren

Zitierform:

Deschner, Stephan: Isotherme Modellierung kompressibler astrophysikalischer Fluide über kosmische Zeitskalen. 2018.

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Keine CC Lizenz (es gilt das deutsche Urheberrecht)

Export