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Explorando el Universo (y el Mundo) a
través de las simulaciones numéricas
Lic. María Celeste Artale
Grupo: Astrofísica Numérica
Instituto de Astronomía y Física del Espacio
8 de Abril del 2013
Cómo está organizada esta charla:
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Breve resúmen de cuales son los métodos con los
que se simula la evolución de galaxias en el
Universo.
Para que uso yo estas simulaciones: long gamma-ray
bursts, X-ray binaries.. (fuentes de altas energías).
Que hice en Alemania en seis meses?
(claro... “y el mundo”)
Simulaciones numéricas
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Los procesos físicos involucrados en la formación
de galaxias se pueden dividir en tres principales
categorías: gravitacional, dinámica del gas, procesos
radiativos.
Aunque los procesos están bien establecidos, los
sistemas dinámicos son tan complicados que no se
los puede estudiar analíticamente.
Gracias al desarrollo computacional de las últimas
décadas, actualmente es posible abordar estos
problemas numéricamente.
Simulaciones numéricas
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La distribución de masa: representada por medio de
partículas o bien sampleada en una red.
Movimiento de cada elemento: estudiando la
interacción con las restantes.
Debido a que en una galaxia puede haber ~10 68
protones en una galaxia, las pseudo-partículas
representaran masas de muchos ordenes de
magnitud mayores a la masa de un átomo.
Simulaciones numéricas
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Las simulaciones numéricas para estudiar la
evolución de las galaxias, pueden dividirse en dos
categorías:
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N-Body simulations:
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–
partículas con igual masa,
no colisionan,
sólo interaccionan gravitacionalmente.
Hydrodynamical simulations. Dos opciones:
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formalismo Lagrangeano (SPH Algorithm),
formalismo Euleriano (Grid-Based Algorithm).
La simulación que utiliza el grupo:
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GADGET-3:
–
Materia oscura: modelada con N-Body.
–
Materia barionica: modelada con TreePM-SPH.
Se incluyeron mejoras a GADGET-3 (Scannapiecco
et al. 2005, 2006):
–
Tratamiento multifase del medio interestelar. Esto
permite desacoplar a las partículas de gas con
propiedades termodinámicas distintas.
–
Mejora en la modelización de la inyección de energía
al medio interestelar debido a las supernovas.
La simulación que utiliza el grupo:
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Tipos de SNs:
–
SNIa: Tvida=106yr. Productora de hierro
–
SNII: Tvida=109yr. Productora de elementos livianos
El medio interestelar que rodea cada SN se divide en
fase fría y caliente.
Cada SN inyecta al medio 1051erg repartido entre las
dos fases.
La simulación que utiliza el grupo:
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A medida que evoluciona el sistema en el tiempo, se
van tomando snapshots con toda la información de
las partículas.
Luego, con un algoritmo denominado FoF, se
seleccionan las galaxias en cada snapshot.
Algunas características de nuestras
últimas simulaciones
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Modelo cosmológico Lambda-CDM
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Volumen comóvil de 10Mpc/h
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Inicialmente: 2303 partículas de gas + 2303 partículas de
materia oscura
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La masa de cada partícula ~5-6 106 M⊙
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La intergación numérica se realiza desde z~30 hasta z=0
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Abundancias químicas iniciales: XH=0.76, YHe=0.24 y Z=0
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Se sigue la evolución química de: C, O, Mg, Si, Fe, N, Ne,
S, Ca y Zn
El grupo de Astrofísica Numérica
en el IAFE
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Investigador principal:
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Dra. Patricia Tissera
Posdocs:
Dra. Noelia Jimenez
Dr. Tomas Tecce (PUC)
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Investigadores:
Dr. Leonardo Pellizza
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Estudiantes de doctorado:
Dra. Susana Pedroza
Lic. Lucas Bignone
Dra. María Emilia de Rossi
Lic. María Celeste Artale
Dra. Josefa Pérez
GADGET-3 en acción ...
Otras simulaciones numéricas conocidas...
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Modelos semi-analíticos. Ejemplo: Millenium Simulation:
–
Modelan a la materia oscura mediante un N-Body
(utilizan una variante de GADGET para eso).
–
Pueden modelar un volumen significativo del
universo, superando 1Gpc/h.
–
Estos modelos parametrizan la física de la formación
de galaxias usando usando modelos analíticos
sencillos o prescripciones fenomenológicas.
AREPO:
–
Resuelve a la fuerza gravitatoria como lo hace
GADGET, pero emplea un método distinto para la
evolución del fluido (adaptative mesh).
Millenium Simulation
OK, y que hago yo con las
simulaciones?
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Estudio fuentes de altas energías, mediante síntesis
de poblaciones.
Hasta ahora:
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Long gamma-ray bursts (LGRBs)
–
High mass X-ray binaries (HMXBs)
En un futuro cercano:
–
Low mass X-ray binaries (LMXBs)
–
Ultra Luminous X-rays (ULXs)
X-ray binaries
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Los sistemas binarios conformados por un objeto
compacto (enana blanca, estrella de neutrones o
agujero negro) y que tienen emisión en X-rays, se
denominan X-ray binaries.
Low-Mass X-Ray Binary: estrella compañera con
una masa M<8Msun.
High-Mass X-Ray Binary: estrella compañera con
una masa M>8Msun.
High Mass X-Ray Binaries
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Formado por un objeto compacto
(estrella de neutrones o agujero
negro) y una estrella compañera
(donora de materia) masiva O o B
Mediante distintos fenómenos (Roche
lobe overflow, stellar winds) la
estrella masiva, dona materia al
objeto compacto. A medida que la
materia es acretada por el objeto
compacto, aumenta su energía
cinética → aumenta su temperatura
→ emisión en X-rays.
Mi modelo para los HMXBs
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Evidencia observacional y teórica sugiere una
dependencia con la metalicidad en el número de
fuentes y en su luminosidad en X-rays
Las estrellas masivas de baja Z, perderían menos
masa en vientos estelares en los procesos previos al
HMXB
Motivados por estos resultados, exploramos esta
posible dependencia mediante síntesis poblacionales
en los snapshots de nuestra simulación numérica.
Mi modelo para los HMXBs
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Para poder realizar el modelo, se estudiaron distintos
trabajos teóricos (Belczynski et al. 2004, 2008; Linden
2009) y observacionales (Mineo et al. 2012; Cowie et al.
2012).
Se calcula el número de HMXBs en las galaxias simuladas
teniendo en cuenta:
–
Poblaciones estelares jóvenes (edades inferiores a 108 yr)
–
Se estima el número de BH y NS: utilizando una
función inicial de masa de Salpeter y considerando
la abundancia química (Z) de las poblaciones
–
Dependiendo de Z → Número de BH y NS en
sistemas binarios
Mi modelo para HMXBs
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En un principio, estudiamos nuestro modelo comparando
con resultados observacionales para galaxias cercanas. De
esta manera, ajustamos los parámetros libres
Mi modelo para HMXBs
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Luego, investigamos su evolución con el redshift
comparando con recientes datos observacionales.
Futuros proyectos
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Incluir el “feedback” térmico debido a las HMXBs
en nuestra simulación: ver como afecta al medio
interestelar.
Realizar una síntesis poblacional para los LMXBs:
–
Distinta naturaleza entre las fuentes en cúmulos
globulares y de campo?
–
Dependencia del número de fuentes, con la masa
estelar de la galaxia?
Sobre que hice en Alemania...
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Instituto: Max Planck for Astrophysics (MPA)
Areas de investigación:
Evolución estelar
Atmósferas estelares,
Física de supernovas,
Dinámica de fluidos astrofísicos,
Astrofísica de altas energías,
Evolución y estructura de galaxias,
Estructura de gran escala del Universo,
Cosmología
Algunas personas que trabajan ahí:
Simon White
Guinevere Kauffmann
Rashiv Sunyaev
Mis actividades consistieron en:
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Conocer y presentarme a los investigadores
miembros del MPA (Marat Gilfanov, Stefano
Mineo, Simon White, Mark Dijkstra, etc..)
Estudiar el rol que podría tener el feedback por
radiación de las fuentes HMXBs en el medio
interestelar e intergalactico ( y su posible influencia
en las galaxias enanas)
Congresos
Sobre el feedback por radiación
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Considerando la relación entre NHMXB y NSN
Estudiamos que fracción de la radiación producida
por los HMXBs que se transmite al ISM.
% de
fuentes
Log Lx [erg/s]
0
35.66
25
36.98
50
37.46
75
38.18
100
40.82
También pude visitar otro continente...
Algunas visitas y encuentros...
En resumen...
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Mi principal trabajo se basa en sintetizar
poblaciones de fuentes de altas energías en las
simulaciones hidrodinámicas cosmológicas del
grupo.
Estudiar el rol de las fuentes HMXBs como
feedback del medio interestelar e intergaláctico
Está muy bueno poder conocer otras maneras de
trabajar!