Dynamics in the Magnetospheres of Compact Objects

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Publication date
2020
Reading date
22-07-2020
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Abstract
Esta tesis doctoral explora el modelado de la dinámica en las magnetosferas alrededor de objetos compactos (agujeros negros y estrellas de neutrones), y sus implicaciones en la formación de fenómenos de alta energía como las llamaradas en magnetares y la emisión de alta variabilidad en el rango de los teraelectronvoltios (TeV) de algunos núcleos galácticos activos, por medio de simulaciones numéricas. Las sorprendentes imágenes de las sombras de los agujeros negros (BH) del centro galáctico y la galaxia M87 proporcionan una primera visión directa de la física de los flujos de acreción en los entornos más extremos del universo. La extracción eficiente de energía en forma de flujos de plasma colimados o chorros de un BH en rotación está directamente relacionada con la topología del campo magnético circundante. La electrodinámica relativista libre de fuerza en relatividad general (GRFFE, por sus siglas en inglés) es una de las aproximaciones posibles para estudiar ciertos plasmas empleado para analizar la energía de los flujos colimados salientes en las que los campos magnéticos fuertes dominan sobre todos los fenómenos relacionados con la inercia del plams. En dicha aproximación se pueden modelizar numéricamente flujos de energía en escenarios astrofísicos diversos empleando simulaciones globales, ventaja que hemos explotado para varias aplicaciones. En este trabajo, presentamos estrategias numéricas capaces de modelizar magnetosferas tanto estacionarias como totalmente dinámicas y libres de fuerza de objetos compactos. Mientras resolvemos el equilibrio de las magnetosferas de BH con un resolvedor recientemente desarrollado de la llamada ecuación Grad-Shafranov, la evolución dinámica es proporcionada por una implementación de GRFFE en la infraestructura del Einstein Toolkit. Esta tesis doctoral revisa de forma detallada la metodología detrás de este paquete de código recientemente desarrollado y su aplicación a magnetares y BH que giran rápidamente. Combinamos una serie de pruebas numéricas y astrofísicas para corroborar los hallazgos astrofísicos obtenidos mediante simulaciones numéricas a gran escala. Ponemos especial énfasis en el modelado correcto de las ondas de plasma e identificamos las limitaciones del método empleado con gran cuidado. Proporcionamos una descripción detallada de las técnicas empleadas para preservar el carácter libre de fuerza del plasma simulado y mantener, en la medida de lo posible, las propiedades conservativas (especialemente de la carga) en la solución numérica. Los resultados científicos de este proyecto han sido presentados en una serie de publicaciones en revistas especializadas. Entre los avances realizados, destaca la mejora de las técnicas numéricas utilizadas para resolver las magnetosferas de equilibrio de Kerr BHs a través de sus superficies singulares aplicando discretización de las derivadas parciales de tipo sesgado. Como aplicación directa, reprodujimos una serie de magnetosferas de BH con distintas topologías, todas ellas previamente consideradas en la literatura y proporcionamos una primera revisión detallada de las propiedades de convergencia. Además, identificamos inestabilidades en las ramas de alta energía de las magnetosferas “retorcidas” de magnetares. Después de la aparición de las antedichas inestabiliades, se libera una fracción sustancial de la energía magnetosférica, la cual puede actuar como el mecanismo desencadenante de los repetidores de gamma blandos (SGR) más potentes. Proporcionamos una argumentación consistente para conectar los resultados de nuestras simulaciones con la huella bolométrica esperada de la observación de las llamaradas gigantes de magnetares. Finalmente, confirmamos la posibilidad de extracción de energía por el mecanismo de Blandford / Znajek a partir de BH que giran rápidamente en magnetosferas dinámicas tridimensionales inducidas por la acumulación de estructuras magnéticas a pequeña escala. Presentamos un extenso estudio de parámetros en el que analizamos la influencia de la geometría de los bucles magnéticos en la eficiencia de producción de chorros, lo cuales presentan una polaridad magnetica que va alternándo con el tiempo. Asociamos directamente episodios eficientes de extracción de energía con el establecimiento de condiciones que son favorables para el proceso de Blandford / Znajek, las cuales surgen de forma bastante natural en el curso de nuestras simulaciones.
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