RUI: Studies in Numerical Relativity

RUI:数值相对论研究

基本信息

  • 批准号:
    1707526
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 22.59万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2017
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2017-08-01 至 2021-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Einstein's theory of general relativity describes all gravitational interactions in the universe, ranging from the force that pulls a falling apple to the Earth, to the expansion of the Universe itself. The equations of general relativity - called Einstein's equations - are quite complicated and can be solved exactly, i.e. with pencil and paper, only under very special and unrealistic circumstances. Modeling more realistic scenarios - for example in order to understand a gravitational wave signal, emitted by two merging black holes, and detected by the LIGO gravitational wave observatory - requires computer simulations. This group's ongoing research efforts aim at developing methods and approaches for such computer simulations. In recent years, the PI has developed new methods that are well suited for a new class of problems, and that may make current simulations significantly more efficient. In the next few years he plans to adopt these methods to study so-called "critical phenomena" that occur at the onset of back-hole formation, to examine properties of rapidly rotating neutron stars, and to collaborate with colleagues to make the above-mentioned new methods available in public community codes. Undergraduate students will participate in these activities, providing them with a "hands-on" research experience, and generating a research-enriched learning environment at Bowdoin College.The scientific goals of this research effort in numerical relativity include the development and implementation of numerical algorithms for the solution of Einstein's equations of general relativity, as well as their application in the numerical modeling of relativistic objects, in particular neutron stars and black holes. In the next funding period the PI plans to adopt methods for numerical relativity in spherical polar coordinates, previously developed with support from NSF grants, to study several problems in gravitational physics and relativistic astrophysics, in particular, to use this code to study critical collapse in the absence of spherical symmetry. Extending earlier results the PI plans to study the effects of angular momentum and aspherical deformations on critical phenomena in the gravitational collapse of perfect fluids, scalar fields, and vacuum spacetimes, addressing several open questions. The PI also plans to perform simulations of astrophysical objects; specifically, the stability of new types of differentially rotating neutron stars. Finally, the PI will implement these methods for numerical relativity in curvilinear coordinates in efficient and scalable community codes, namely the Einstein Toolkit and Harm3D, so that these techniques can be applied in a number of astrophysical simulations that cannot be performed with current stand-alone codes.
爱因斯坦的一般相对论理论描述了宇宙中的所有引力相互作用,从将倒下的苹果拉到地球到宇宙本身的扩张,范围从将倒下的苹果拉到地球上。 一般相对论的方程式(称为爱因斯坦的方程式)非常复杂,并且只有在非常特殊和不切实际的环境下,就可以准确地解决铅笔和纸。 建模更现实的场景 - 例如,为了理解两个合并黑洞发出的引力波信号,并由Ligo Gration Wave Wave观测值检测到 - 需要计算机模拟。 该小组正在进行的研究工作旨在开发此类计算机模拟的方法和方法。 近年来,PI开发了非常适合新的问题的新方法,并且可能会使当前的模拟更加有效。 在接下来的几年中,他计划采用这些方法来研究在后孔形成开始时发生的所谓“关键现象”,以检查快速旋转的中子恒星的属性,并与同事合作,使上述新方法在公共社区代码中可用。 本科生将参加这些活动,为他们提供“动手”的研究经验,并在鲍登学院(Bowdoin College)建立富含研究的学习环境。这项研究工作在数字相对性方面的科学目标包括发展和实施数值算法,以实现Einstein方案的整体相对性和数字相对范围,并在数字上的应用程序,并在数字上进行了数字构建,并在数字上进行了数字模型,并在数字上的数字构建中的应用程序,并且孔。 在下一个资金期间,PI计划采用以前在NSF赠款的支持下开发的球形极性坐标的数值相对性的方法,以研究引力物理学和相对论天体物理学的几个问题,尤其是使用此代码,以研究球形对称性缺乏的关键崩溃。 扩展较早的结果PI计划研究角动量和非球形变形对完美流体,标量场和真空空位的重力崩溃中关键现象的影响,从而解决了几个空旷的问题。 PI还计划对天体物理对象进行模拟。具体而言,新型差异旋转中子星的稳定性。 最后,PI将在高效且可扩展的社区代码中(即爱因斯坦工具包和Harm3D)中实施这些方法,以实现曲线坐标中的数值相对性,以便可以将这些技术应用于许多无法使用当前的独立代码进行的天文学模拟中。

项目成果

期刊论文数量(19)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Dark matter heating of gas accreting onto Sgr A*
  • DOI:
    10.1093/mnras/stz2781
  • 发表时间:
    2019-06
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.8
  • 作者:
    Elizabeth R. Bennewitz;Cristian Gaidău;T. Baumgarte;S. Shapiro
  • 通讯作者:
    Elizabeth R. Bennewitz;Cristian Gaidău;T. Baumgarte;S. Shapiro
Critical phenomena in gravitational collapse with two competing massless matter fields
两个相互竞争的无质量物质场的引力塌缩的关键现象
  • DOI:
    10.1103/physrevd.100.104010
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    Gundlach, Carsten;Baumgarte, Thomas W.;Hilditch, David
  • 通讯作者:
    Hilditch, David
Neutron stars harboring a primordial black hole: Maximum survival time
拥有原始黑洞的中子星:最长生存时间
  • DOI:
    10.1103/physrevd.103.l081303
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    Baumgarte, Thomas W.;Shapiro, Stuart L.
  • 通讯作者:
    Shapiro, Stuart L.
Critical Phenomena in the Gravitational Collapse of Electromagnetic Waves
电磁波引力塌缩的关键现象
  • DOI:
    10.1103/physrevlett.123.171103
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    8.6
  • 作者:
    Baumgarte, Thomas W.;Gundlach, Carsten;Hilditch, David
  • 通讯作者:
    Hilditch, David
Accretion onto black holes inside neutron stars with piecewise-polytropic equations of state: Analytic and numerical treatments
用分段多变状态方程对中子星内部黑洞的吸积:分析和数值处理
  • DOI:
    10.1103/physrevd.104.123021
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    Schnauck, Sophia C.;Baumgarte, Thomas W.;Shapiro, Stuart L.
  • 通讯作者:
    Shapiro, Stuart L.
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