Beschreibung (original): | Seit Mitte des letzten Jahrhunderts hat sich der Gedanke etabliert,
dass der gravitative Kollaps von Molekülwolken durch Erhaltung des in ihnen
vorhanden Drehimpulses zur Bildung einer scheibenartigen Struktur und damit
u.a. zum Geburtsort unseres Sonnensystems führt.
Dieser Entstehungsprozess ist einer ganzen Reihe von Objekten gemein und kann
auf den unterschiedlichsten Größenskalen erfolgen.
Das eigentliche Problem ist die Umverteilung des Drehimpulses, ohne die es keine
Entwicklung zu beispielsweise einem Hauptreihenstern geben kann.
Das Aufsammeln von Material durch das Zentralobjekt wird als Akkretion bezeichnet.
Der Mechanismus der Akkretion spielt in der Astrophysik eine entscheidende
Rolle, da die Akkretionsscheibe ebenfalls den "Motor" der aktiven galaktischen Kerne bildet. Durch innere Reibung wird Gravitationsenergie
sehr effizient dissipiert, so dass sie zu den
leuchtkräftigsten Objekten im Universum gehören. Sie spielen damit eine
entscheidende Rolle in der Entstehung von Galaxien und haben somit auch
einen Einfluss auf die kosmologische Entwicklung.
Der Fakt, dass wir diese Objekte beobachten können, bedeutet, dass sie sich
mindestens auf Zeitskalen kleiner als das Weltalter entwickelt
haben müssen, was eine
durch molekulare Prozesse vermittelte innere Reibung (Viskosität) ausschließt.
Die Effekte wären um viele Größenordnungen zu gering, weshalb seit langem
Konsens darüber besteht, dass eine durch Turbulenz hervorgerufene Viskosität
erforderlich ist.
In dieser Arbeit wird sich dieser Problematik dahingehend genähert,
dass die seit einigen Jahrzehnten etablierten
sehr einfachen Parametrisierungen einer turbulenten Viskosität durch eine
allgemeinere Theorie, die auf die jeweils vorherrschende Strömungsgegebenheit
Rücksicht nimmt, zu ersetzen.
Hierbei wird die Methode der Large Eddy Simulation (LES) verwendet, die große Verbreitung in der Meteorologie und den Ingenieurwissenschaften gefunden hat und ebenfalls zunehmend bei astrophysikalischen Fragestellungen eingesetzt wird. Obwohl die darin enthaltenen Methoden ebenfalls heuristischer Natur sind, haben sie
den Vorteil, dass sie einerseits durch Vergleich mit Experimenten ihre Daseinsberechtigung untermauern können und zweitens an die
tatsächlich in der Simulation auftretende Turbulenz rückkoppeln.
Für die Untersuchung werden Akkretionsscheiben mit und ohne dominantes Scheibenpotential jeweils im klassischen Ansatz und mit
der LES durchgeführt. Die ansonsten identischen Modelle werden eingehend
analysiert.
Es zeigt sich dabei, dass die auftretenden Akkretionsraten teilweise
starke Ähnlichkeiten aufweisen und ebenfalls zu einem annähernd gleichen
Massenwachstum des Zentralobjektes führen. Um den Nachteil von zweidimensionalen
Modellen wett zu machen, werden ebenfalls rotationssymmetrische und flache Modelle
untereinander verglichen. Auch hier zeigt sich tendenziell ein
ähnliches Verhalten, was als Rechtfertigung für den Ansatz verstanden werden kann.
Bei den flachen Modellen treten verstärkt nicht achsensymmetrische Instabilitäten
auf, die das gesamte Verhalten der Scheibe stark beeinflussen. |
(übersetzt): | Since the middle of last century, the idea has been established that the gravitational collapse of molecular clouds results in a disk-like structure
due to conservation of angular momentum.
This process occurs on very different length scales and is applicable to a variety of astrophysical objects from the formation of our solar system to the evolution of black holes in galaxy centers.
The fundamental problem is the redistribution of angular
momentum which is a necessary condition for the evolution of the central object.
The collecting of material through the central object is called accretion.
It is believed that accretion discs are the engines of active galactic
nuclei (AGN), which play a major role for galaxy formation and therefore have
an impact on cosmological evolution.
Due to viscosity gravitational energy is dissipated very effectively
so that they are among the most luminous objects in the universe.
The fact that we can observe these objects means that they must have evolved
at least on time scales less than the age of the universe. Therefore molecular
viscosity as source for energy dissipation is ruled out because the expected
time scales are orders of magnitudes too large. This is the reason
why there is a broad consensus that turbulence is the only way to explain the
short time scales.
This thesis approaches the problem by replacing the rather simple but
well established methods with a more general theory of turbulence modeling.
This type of simulation is called large eddy simulation (LES) and has been used
in meteorology and engineering sciences for decades.
Although these methods are also based on heuristic assumptions, they are
far more general and allow for comparison with laboratory experiments.
In addition, they connect directly to the turbulent motion generated by the
simulation.
Simulations of accretion disks with and without self-gravity are performed
and compared to the classic parameterization. The otherwise identical
models are analyzed in detail.
The achievable accretion rates and the evolution time scales of the
central objects are of the same order compared to results obtained with the
classic parameterization.
To compensate for the drawback of two-dimensional models, rotationally
symmetric and flat models are compared with each other.
Both show similar behavior, which can be regarded
as an indirect justification of the approach.
In the flat models non-axisymmetric instabilities occur
that affect the overall behavior of the disc strongly. |
Schlagworte: | Large Eddy, Hydrodynamik, Akkretionsscheiben, selbstgravitierend, aktive galaktische Kerne Large eddy, fluid dynamics, accretion disks, self-gravitating, active galactic nucleus |