Large Eddy Simulations of Binary Neutron Star Mergers: Turbulent Amplification of the Magnetic Field

Abstract

[eng] This thesis is focused on the amplification of the magnetic field (MF) in binary neutron star (BNS) mergers, which occurs mainly during the turbulent phase triggered by the Kelvin-Helmholtz instability (KHI) at small scales. Capturing the small-scale dynamics of this stage is achieved by using Large Eddy Simulations (LES) techniques combined with the sub-grid scale (SGS) gradient model. We first developed the theory for non-relativistic magneto-hydrodynamics (MHD) evolution equations and then for general relativity MHD (GRMHD). We performed box test simulations and analyzed the results obtained from integrated quantities and by looking to the spectral energy obtained for all achieved scales of the system. Later on, we applied these techniques to BNS mergers and, for the first time, we reach numerical convergence and saturation for the turbulent amplification of the MF. We also show that the initial topology of the MF for each star is lost in the amplification of the MF process, giving comparable results for different initial seeds. The last chapter is focused on alternative theories of general relativity (GR), paying attention to the dynamics of screening mechanisms in BNS mergers. Scalar tensor (ST) theories are the most promising ones to explain the expansion of the Universe without the addition of a cosmological constant introduced by Einstein. For the first time, BNS mergers in k-essence theory show that the dipole scalar emission is screened, but the quadrupole scalar mode is not. Our results point at quadrupole scalar signals as large as (or even larger than) in Fierz-Jordan-Brans-Dicke (FJBD) theories with the same conformal coupling, for strong-coupling scales in the MeV range that we can simulate.

[cat] Aquesta tesi està centrada en l’amplificació del camp magnètic (MF, en anglès) en fusions d’un sistema binari d’estrelles de neutrons (BNS), que té lloc principalment durant la fase turbulenta generada per la inestabilitat de Kelvin-Helmholtz (KHI) a les escales petites. S’han fet servir tècniques de Simulacions de Grans Vòrtexs (Large Eddy Simulations (LES) en anglès) combinades amb el model del gradient de l’escala de subxarxa (SGS) per tal de capturar la dinàmica de les petites escales en aquest problema. Primer, hem desenvolupat la teoria per a les equacions d’evolució de la magnetohidrodinàmica (MHD) no relativista i després per a la MHD en relativitat general (GRMHD). Hem realitzat simulacions en caixes i hem analitzat els resultats obtinguts tant de quantitats integrades com també de l’energia espectral obtinguda per a totes les escales del sistema que s’han pogut assolir. Després, hem aplicat aquestes tècniques a fusions de BNS i, per primera vegada, hem assolit convergència numèrica i saturació en l’amplificació turbulenta del camp magnètic. També demostrem que la topologia inicial del camp magnètic de cada estrella es perd en el procés d’amplificació, obtenint resultats comparables amb diferents configuracions inicials. L’últim capítol està centrat en teories alternatives de la relativitat general (GR), posant especial atenció a la dinàmica de mecanismes d’apantallament en fusions de BNS. Les teories de tensors escalars (ST) són les més prometedores a l’hora d’explicar l’expansió de l’Univers sense la necessitat d’afegir la constant cosmològica introduïda per Einstein. Per primera vegada, fusions de BNS sota la teoria de k-essència mostren que l’emissió escalar del dipol s’apantalla, mentre que el mode escalar del quadrupol sobreviu. Els nostres resultats apunten a senyals escalars de quadrupols tan grans com (o fins i tot més) les teories de Fierz-Jordan-Brans-Dicke (FJBD) amb el mateix acoblament conforme, per a escales d’acoblament fort en el rang de MeV que podem simular.

[spa] Esta tesis está centrada en la amplificación del campo magnético (MF, en inglés) en fusiones de un sistema binario de estrellas de neutrones (BNS), que tiene lugar principalmente durante la fase turbulenta generada por la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz (KHI) en las pequeñas escalas. Se han usado técnicas de Simulaciones de Grandes Vórtices (Large Eddy Simulations (LES) en inglés) combinadas con el modelo del gradiente de la escala de subred (SGS) para capturar la dinámica de las pequeñas escalas en este problema. Primero, hemos desarrollado la teoría para las ecuaciones de evolución de la magnetohidrodinámica (MHD) no relativista y después para la MHD en relatividad general (GRMHD). Hemos realizado simulaciones en cajas y hemos analizado los resultados obtenidos tanto de cantidades integradas como también de la energía espectral obtenida para todas las escalas del sistema que se han podido alcanzar. Después, hemos aplicado estas técnicas a fusiones de BNS y, por primera vez, hemos conseguido convergencia numérica y saturación en la amplificación turbulenta del campo magnético. También demostramos que la topología inicial del campo magnético de cada estrella se pierde en el proceso de amplificación, obteniendo resultados comparables con distintas configuraciones iniciales. El último capítulo está centrado en teorías alternativas de la relatividad general (GR), poniendo especal atención a la dinámica de mecanismos de apantallamiento en fusiones de BNS. Las teorías de tensores escalares (ST) son las más prometedoras a la hora de explicar la expansión del Universo sin la necesidad de añadir la constante cosmológica introducida por Einstein. Por primera vez, fusiones de BNS bajo la teoría de k-esencia muestran que la emisión escalar del dipolo se apantalla, mientras que el modo escalar del cuadrupolo sobrevive. Nuestros resultados apuntan a señales escalares de cuadrupolos tan grandes como (o incluso más que) las teorías de Fierz-Jordan-Brans-Dicke (FJBD) con el mismo acoplamiento conforme, para escalas de acoplamiento fuerte en el rango de MeV que podemos simular.