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Simulations of an accretion disk surrounding a supermassive black hole and its interaction with a nuclear star cluster

Klein, Fabian

German Title: Simulationen einer Akkretionsscheibe (AS) um ein supermassives schwarzes Loch (SMSL) und ihre Wechselwirkungen mit einem zentralen Sternenhaufen

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Abstract

We investigate the time evolution of an AD surrounding a SMBH in an active galactic nucleus (AGN) and its dynamical interactions with a the nuclear star cluster (NSC). The AD is important in these interactions because of its dissipative force acting on the NSC stars, resulting in an increased mass flow to the SMBH and asymmetries in the phase space distribution due to its rotation. As the StarDisk project (Just et al., Kennedy et al.) only treated a static AD, viscous hydrodynamical simulations including gravity and self-gravity are used in this thesis to take dissipative feedback and lifetime checks of the AD into account. These simulations were performed using the PLUTO code along with additional modules written by Rolf Kuiper and equilibrium initial condition similar to Shakura & Sunyayev. The results were a quasi-static state as well as the confirmation of the scale-height assumptions from Kennedy et al. and the estimation of the accretion rate reproducing the expected result from Shakura & Sunyayev. Furthermore, the obtained data was used to interpolate the dissipative forces in the direct N-body code NBODY6++GPU and carry out a first test. The inclusion of more physics into the hydrodynamics as well as the advancement of the NBODY6++GPU project to real applications are both tasks for future research

Translation of abstract (German)

Wir untersuchen die Zeitentwicklung einer ein SMSL umgebenden AS in einem aktivem Galaxienkern (AGK) und ihre dynamische Wechselwirkung mit einem zentralen Sternen haufen (ZSH). Die AS ist wegen ihrer dissipativen Kräfte, die auf die Sterne im ZSH wirken, sehr wichtig für diese Wechselwirkungen, welche in einem erhöhtem Massenfluss zum SMSL sowie Asymmetrien in der Phasenraumverteilung, ausgelöst durch die Rotation, führen. Da das StarDisk Projekt (Just et al., Kennedy et al.) die AS als statisch behandelt hat, wurden in dieser Arbeit viskose hydrodynamische Simulationen, welche auch die Gravitation und Eigengravitation beinhalten, durchgeführt, um die dissipative Rückkopplung und die Lebensdauer der Scheiben miteinzubeziehen. Diese Simulationen wurden mithilfe des PLUTO Codes unter Verwendung von zusätzlichen Modulen entwickelt von Rolf Kuiper und Gleichgewichtsanfangsbedinungen ähnlich denen von Shakura & Sunyayev durchgeführt. Das Ergebnis war ein quasi-statischer Zustand, welcher Annahmen zur Skalenhöhe von Kennedy et al. bestätigte und eine Abschätzung der Akkretionsrate konnte die erwarteten Resultate von Shakura & Sunyayev reproduzieren. Weiterhin wurden die gesammelten Daten verwendet, um durch Interpolation die dissipativen Kräfte im direkten N-Teilchencode NBODY6++GPU zu verwenden und einen ersten Test durchzuführen. Das Hinzufügen weiterer Physik in die Hydrodynamik bildet zusammen mit dem Voranbringen des NBODY6++GPU Projektes zur Durchfühbarkeit von echten Anwendungen die Aufgaben für zukünftige Forschung.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Spurzem, Prof. Dr. Rainer
Date of thesis defense: 17 October 2018
Date Deposited: 05 Nov 2018 12:28
Date: 2018
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 004 Data processing Computer science
520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: Aktiver galaktischer Kern, Akkretionsscheibe, Numerische Mathematik
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