Dissertation (Metadaten)
Titel (original):Large Eddy Simulationen von selbstgravitierenden Akkretionsscheiben
(übersetzt):Large eddy simulation of self-gravitating accretion disks
 
Autor:Björn Sperling
 
URN:NBN:urn:nbn:de:gbv:8-diss-107812
 
Fakultät:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
DDC Sachgebiet:530 Physik
 
Datum der mdl. Prüfung:28.01.2013
 
Referent(in):Prof. Dr. Wolfgang Duschl
Korreferent(en) Korreferentin:Prof. Dr. Robert Wimmer-Schweingruber
 
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
 
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