This Thesis puts its focus on the physics of neutron stars and its description with methods of numerical relativity. In the first step, a new numerical framework the Whisky2D code will be developed, which solves the relativistic equations of hydrodynamics in axisymmetry. Therefore we consider an improved formulation of the conserved form of these equations. The second part will use the new code to investigate the critical behaviour of two colliding neutron stars. Considering the analogy to phase transitions in statistical physics, we will investigate the evolution of the entropy of the neutron stars during the whole process. A better understanding of the evolution of thermodynamical quantities, like the entropy in critical process, should provide deeper understanding of thermodynamics in relativity. More specifically, we have written the Whisky2D code, which solves the general-relativistic hydrodynamics equations in a flux-conservative form and in cylindrical coordinates. This of course brings in 1/r singular terms, where r is the radial cylindrical coordinate, which must be dealt with appropriately. In the above-referenced works, the flux operator is expanded and the 1/r terms, not containing derivatives, are moved to the right-hand-side of the equation (the source term), so that the left hand side assumes a form identical to the one of the three-dimensional (3D) Cartesian formulation. We call this the standard formulation. Another possibility is not to split the flux operator and to redefine the conserved variables, via a multiplication by r. We call this the new formulation. The new equations are solved with the same methods as in the Cartesian case. From a mathematical point of view, one would not expect differences between the two ways of writing the differential operator, but, of course, a difference is present at the numerical level. Our tests show that the new formulation yields results with a global truncation error which is one or more orders of magnitude smaller than those of alternative and commonly used formulations. The second part of the Thesis uses the new code for investigations of critical phenomena in general relativity. In particular, we consider the head-on-collision of two neutron stars in a region of the parameter space where two final states a new stable neutron star or a black hole, lay close to each other. In 1993, Choptuik considered one-parameter families of solutions, S[P], of the Einstein-Klein-Gordon equations for a massless scalar field in spherical symmetry, such that for every P > P⋆, S[P] contains a black hole and for every P < P⋆, S[P] is a solution not containing singularities. He studied numerically the behavior of S[P] as P → P⋆ and found that the critical solution, S[P⋆], is universal, in the sense that it is approached by all nearly-critical solutions regardless of the particular family of initial data considered. All these phenomena have the common property that, as P approaches P⋆, S[P] approaches a universal solution S[P⋆] and that all the physical quantities of S[P] depend only on |P − P⋆|. The first study of critical phenomena concerning the head-on collision of NSs was carried out by Jin and Suen in 2007. In particular, they considered a series of families of equal-mass NSs, modeled with an ideal-gas EOS, boosted towards each other and varied the mass of the stars, their separation, velocity and the polytropic index in the EOS. In this way they could observe a critical phenomenon of type I near the threshold of black-hole formation, with the putative solution being a nonlinearly oscillating star. In a successive work, they performed similar simulations but considering the head-on collision of Gaussian distributions of matter. Also in this case they found the appearance of type-I critical behaviour, but also performed a perturbative analysis of the initial distributions of matter and of the merged object. Because of the considerable difference found in the eigenfrequencies in the two cases, they concluded that the critical solution does not represent a system near equilibrium and in particular not a perturbed Tolmann-Oppenheimer-Volkoff (TOV) solution. In this Thesis we study the dynamics of the head-on collision of two equal-mass NSs using a setup which is as similar as possible to the one considered above. While we confirm that the merged object exhibits a type-I critical behaviour, we also argue against the conclusion that the critical solution cannot be described in terms of equilibrium solution. Indeed, we show that, in analogy with what is found in, the critical solution is effectively a perturbed unstable solution of the TOV equations. Our analysis also considers fine-structure of the scaling relation of type-I critical phenomena and we show that it exhibits oscillations in a similar way to the one studied in the context of scalar-field critical collapse. / Diese Arbeit legt seinen Schwerpunkt auf die Physik von Neutronensternen und deren Beschreibung mit Methoden der numerischen Relativitätstheorie. Im ersten Schritt wird eine neue numerische Umgebung, der Whisky2D Code entwickelt, dieser löst die relativistischen Gleichungen der Hydrodynamik in Axialymmetrie. Hierzu betrachten wir eine verbesserte Formulierung der sog. "flux conserved formulation" der Gleichungen. Im zweiten Teil wird der neue Code verwendet / um das kritische Verhalten zweier kollidierenden Neutronensternen zu untersuchen. In Anbetracht der Analogie, um Übergänge in der statistischen Physik Phase werden wir die Entwicklung der Entropie der Neutronensterne während des gesamten Prozesses betrachten. Ein besseres Verständnis der Evolution von thermodynamischen Größen, wie der Entropie in kritischer Prozess, sollte zu einem tieferen Verständnis der relativistischen Thermodynamik führen. Der Whisky2D Code, zur Lösung Gleichungen relativistischer Hydrodynamik wurde in einer „flux conserved form“ und in zylindrischen Koordinaten geschrieben. Hierdurch entstehen 1 / r singuläre Terme, wobei r der ist, die entsprechend behandelt werden müssen. In früheren Arbeiten, wird der Operator expandiert und die 1 / r spezifisch Therme auf die rechte Seite geschrieben, so dass die linke Seite eine Form annimmt, die identisch ist mit der kartesischen Formulierung. Wir nennen dies die Standard-Formulierung. Eine andere Möglichkeit ist, die Terme nicht zu expandieren, den und den 1/r Term in die Gleichung hinein zu ziehen. Wir nennen dies die Neue-Formulierung. Die neuen Gleichungen werden mit den gleichen Verfahren wie im kartesischen Fall gelöst. Aus mathematischer Sicht ist keine Unterschiede zwischen den beiden Formulierungen zu erwarten, erst die numerische Sicht zeigt die Unterschiede auf. Versuche zeigen, dass die Neue-Formulierung numerische Fehler um mehrere Größenordnungen reduziert. Der zweite Teil der Dissertation verwendet den neuen Code für die Untersuchung kritischer Phänomene in der allgemeinen Relativitätstheorie. Insbesondere betrachten wir die Kopf-auf-Kollision zweier Neutronensterne in einem Bereich des Parameter Raums, deren zwei mögliche Endzustände entweder einen neuen stabilen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch darstellen. Im Jahr 1993, betrachtete Choptuik Ein-Parameter-Familien von Lösungen, S [P], der Einstein-Klein-Gordon-Gleichung für ein masseloses Skalarfeld in sphärischer Symmetrie, so dass für jedes P> P ⋆, S[P] ein Schwarzes Loch enthalten ist und jedes P <P ⋆, S [P] eine Lösung ohne eine Singularität. Er studierte das numerisch Verhalten von S [P] als P → P ⋆ und stellte fest, dass die kritische Lösung, S[P ⋆], universell in dem Sinne ist, dass die Lösung nahe des kritischen Wertes unabhängig von den Anfangsdaten ist. Alle diese Phänomene haben die gemeinsame Eigenschaft, dass sobald sich P P ⋆ annähert, auch S[P] S [P ⋆] annähert und dass alle physikalischen Größen von S [P] nur noch von | P - P ⋆ | abhängen. Die erste Studie der kritischen Phänomene über den Frontalzusammenstoß von zwei Neutronensternen wurde von Jin und Suen im Jahr 2007 durchgeführt. Insbesondere untersuchten sie eine Reihe von Anfangsdaten gleicher Neutronensternmasse, mit einer idealen EOS, die aufeinander zu beschleunigt werden. Variiert wurden die Massen der Sterne, ihr Abstand, die Geschwindigkeit und die polytropen Index der EOS. Auf diese Weise konnten sie kritische Phänomen des Typ I beobachten. In weiteren Versuchen, führten sie ähnliche Simulationen frontal kollidierender Materie in Gauß Verteilungen durch. Auch in diesem Fall fanden sie Typ-I-kritisches Verhalten. Zudem führten sie eine störungstheoretische Analyse der Anfangsobjekte als auch der stabilen Endobjekte durch. Wegen der beträchtlichen Unterschiede in den Eigenfrequenzen in beiden Fallen, schlossen sie daraus, dass die kritische Lösung keine linear-gestörten Tolmann-Oppenheimer-Volkoff (TOV) Sterne im Gleichgewicht darstellen. In dieser Arbeit untersuchen wir die Dynamik der Frontalzusammenstoß zweier Neutronensterne gleicher Masse mit ähnlichem Setup wie oben besprochen. Während wir bestätigen, dass die erzeugten Objekte ebenfalls ein Typ-I-kritische Verhalten aufweisen, wiedersprechen wir der der Aussage, dass sich die kritische Lösung nicht als Gleichgewichtslösung dargestellt werden kann. In der Tat zeigen wir, dass die kritische Lösung als linear-gestörte instabile Lösung eines TOV-Sterns dargestellt werden kann. Unsere Analyse berücksichtigt auch die Feinstruktur der Skalenverhältnisse Typ-I-kritischer Phänomene und wir zeigen ebenfalle, dass hier Oszillationen auftreten, die bereits in ähnlichen Studien zum Kollaps kritischer Skalar-Feld gefunden wurden.

The existence of Gravitational Waves from binary black holes is one of the most interesting predictions of General Relativity. These ripples in space-time should be visible to ground-based gravitational wave detectors worldwide in the next few years. One such detector, the Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) is in the process of being upgraded to its Advanced sensitivity which should make gravitational wave detections routine. Even so, the signals that LIGO will detect will be faint compared to the detector noise, and so accurate waveform templates are crucial. In this thesis, we present a detailed analysis of the accuracy of hybrid gravitational waveforms. Hybrids are created by stitching a long post-Newtonian inspiral to the late inspiral, merger, and ringdown produced by numerical relativity simulations. We begin our investigation with a study of the systematic errors in the numerical waveform, and errors due to hybridization and choice of detector noise. For current NR waveforms, the largest source of error comes from the unknown high-order terms in the post-Newtonian waveform, which we first explore for equal-mass, non-spinning binaries, and also for unequal-mass, non-spinning binaries. We then consider the potential reduction in hybrid errors if these higher-order terms were known. Finally, we investigate the possibility of using hybrid waveforms as a detection template bank and integrating NR+PN hybrids into the LIGO detection pipeline.

The existence of Gravitational Waves from binary black holes is one of the most interesting predictions of General Relativity. These ripples in space-time should be visible to ground-based gravitational wave detectors worldwide in the next few years. One such detector, the Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) is in the process of being upgraded to its Advanced sensitivity which should make gravitational wave detections routine. Even so, the signals that LIGO will detect will be faint compared to the detector noise, and so accurate waveform templates are crucial. In this thesis, we present a detailed analysis of the accuracy of hybrid gravitational waveforms. Hybrids are created by stitching a long post-Newtonian inspiral to the late inspiral, merger, and ringdown produced by numerical relativity simulations. We begin our investigation with a study of the systematic errors in the numerical waveform, and errors due to hybridization and choice of detector noise. For current NR waveforms, the largest source of error comes from the unknown high-order terms in the post-Newtonian waveform, which we first explore for equal-mass, non-spinning binaries, and also for unequal-mass, non-spinning binaries. We then consider the potential reduction in hybrid errors if these higher-order terms were known. Finally, we investigate the possibility of using hybrid waveforms as a detection template bank and integrating NR+PN hybrids into the LIGO detection pipeline.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第21557号 / 理博第4464号 / 新制||理||1641(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 柴田 大, 教授 田中 貴浩, 教授 井岡 邦仁 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第20903号 / 理博第4355号 / 新制||理||1625(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 佐々木 節, 教授 柴田 大, 教授 川合 光 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第20909号 / 理博第4361号 / 新制||理||1626(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 柴田 大, 教授 井岡 邦仁, 教授 川合 光 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

In this research, we study how a finite-temperature nuclear equation of state suitable for astrophysical simulations impacts the oscillation modes of neutron stars. We chose the Shen equation of state (EOS) because it accurately describes both stable and unstable nuclei as well as nuclear incompressibilities. I modified the existing MHD code at BYU, the HAD code, to call a lookup table for the Shen EOS for use at run time, and added a Newton-Raphson method algorithm to convert conserved variables to primitive variables. The algorithm was tested and verified by evolving a stable neutron star for several dynamical times and evolving the same star at different resolutions. The normal mode frequency of the neutron star with the Shen EOS was measured and compared to those for neutron stars with an ideal gas EOS found by Font et. al. We found that the fundamental mode of the neutron star using the Shen EOS was slightly larger than that of the ideal gas EOS. This difference is due to the Shen EOS producing stars that are stiffer, increasing the sound speed.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第24409号 / 理博第4908号 / 新制||理||1701(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 柴田 大, 教授 井岡 邦仁, 教授 橋本 幸士 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

One of the most exciting predictions of Einstein's theory of gravitation that have not yet been proven experimentally by a direct detection are gravitational waves. These are tiny distortions of the spacetime itself, and a world-wide effort to directly measure them for the first time with a network of large-scale laser interferometers is currently ongoing and expected to provide positive results within this decade. One potential source of measurable gravitational waves is the inspiral and merger of two compact objects, such as binary black holes. Successfully finding their signature in the noise-dominated data of the detectors crucially relies on accurate predictions of what we are looking for. In this thesis, we present a detailed study of how the most complete waveform templates can be constructed by combining the results from (A) analytical expansions within the post-Newtonian framework and (B) numerical simulations of the full relativistic dynamics. We analyze various strategies to construct complete hybrid waveforms that consist of a post-Newtonian inspiral part matched to numerical-relativity data. We elaborate on exsisting approaches for nonspinning systems by extending the accessible parameter space and introducing an alternative scheme based in the Fourier domain. Our methods can now be readily applied to multiple spherical-harmonic modes and precessing systems. In addition to that, we analyze in detail the accuracy of hybrid waveforms with the goal to quantify how numerous sources of error in the approximation techniques affect the application of such templates in real gravitational-wave searches. This is of major importance for the future construction of improved models, but also for the correct interpretation of gravitational-wave observations that are made utilizing any complete waveform family. In particular, we comprehensively discuss how long the numerical-relativity contribution to the signal has to be in order to make the resulting hybrids accurate enough, and for currently feasible simulation lengths we assess the physics one can potentially do with template-based searches. / Eine der aufregendsten Vorhersagen aus Einsteins Gravitationstheorie, die bisher noch nicht direkt durch ein Experiment nachgewiesen werden konnten, sind Gravitationswellen. Dies sind winzige Verzerrungen der Raumzeit selbst, und es wird erwartet, dass das aktuelle Netzwerk von groß angelegten Laserinterferometern im kommenden Jahrzehnt die erste direkte Gravitationswellenmessung realisieren kann. Eine potentielle Quelle von messbaren Gravitationswellen ist das Einspiralen und Verschmelzen zweier kompakter Objekte, wie z.B. ein Binärsystem von Schwarzen Löchern. Die erfolgreiche Identifizierung ihrer charakteristischen Signatur im Rausch-dominierten Datenstrom der Detektoren hängt allerdings entscheidend von genauen Vorhersagen ab, was wir eigentlich suchen. In dieser Arbeit wird detailliert untersucht, wie die komplettesten Wellenformenmodelle konstruiert werden können, indem die Ergebnisse von (A) analytischen Entwicklungen im post-Newtonschen Verfahren und (B) numerische Simulationen der voll-relativistischen Bewegungen verknüpft werden. Es werden verschiedene Verfahren zur Erstellung solcher "hybriden Wellenformen", bei denen der post-Newtonsche Teil mit numerischen Daten vervollständigt wird, analysiert. Existierende Strategien für nicht-rotierende Systeme werden vertieft und der beschriebene Parameterraum erweitert. Des Weiteren wird eine Alternative im Fourierraum eingeführt. Die entwickelten Methoden können nun auf multiple sphärisch-harmonische Moden und präzedierende Systeme angewandt werden. Zusätzlich wird die Genauigkeit der hybriden Wellenformen mit dem Ziel analysiert, den Einfluss verschiedener Fehlerquellen in den Näherungstechniken zu quantifizieren und die resultierenden Einschränkungen bei realen Anwendungen abzuschätzen. Dies ist von größter Bedeutung für die zukünftige Entwicklung von verbesserten Modellen, aber auch für die korrekte Interpretation von Gravitationswellenbeobachtungen, die auf Grundlage solcher Familien von Wellenformen gemacht worden sind. Insbesondere wird diskutiert, wie lang der numerische Anteil des Signals sein muss, um die Hybride genau genug konstruieren zu können. Für die aktuell umsetzbaren Simulationslängen wird die Physik eingeschätzt, die mit Hilfe von Modell-basierten Suchen potentiell untersucht werden kann.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho consiste na aplicação de métodos espectrais para obter a evolução de sistemas isolados que possam emitir ondas gravitacionais no regime não-linear pleno da Relatividade Geral. A perspectiva da detecção de ondas gravitacionais nos próximos anos torna premente a construção de padrões temporais e angulares de ondas gravitacionais emitidas por sistemas que são fortes candidatos a fontes intensas de ondas gravitacionais. Estudamos a evolução de esferóides de matéria emitindo ondas gravitacionais e um campo de radiação nula onde o espaço-tempo exterior é descrito pelas equações de Robinson- Trautman. O campo de radiação nula é esperado em um colapso gravitacional realístico e pode representar uma superposição incoerente de ondas eletromagnéticas, neutrinos ou campos escalares sem massa. Analisamos a evolução do espectro de emissão de ondas gravitacionais e a extração de massa do sistema devido à emissão de ambos os tipos de radiação. Apresentamos também o primeiro código numérico utilizando o método de Galerkin para integrar as equações de campo do problema de Bondi. Realizamos vários testes numéricos para verificar a convergência, estabilidade e precisão, obtendo resultados promissores. Esse código abre várias possibilidades de aplicações em cenários mais gerais de espaços-tempos com ondas gravitacionais. / This work consists of applying spectral methods to obtain the evolution of isolated systems that can emit gravitational waves in the full nonlinear regime of General Relativity. The perspective of detection of gravitational waves in the next years means that the construction of angular and temporal patterns of gravitational waves emitted by systems that are strong candidates for intense sources of gravitational waves has become pressing.The evolution of spheroids of matter emitting gravitational waves and a null radiation field is studied in the realm of radiative Robinson-Trautman spacetimes. The null radiation field is expected in realistic gravitational collapse and can be either an incoherent superposition of waves of electromagnetic, neutrino or massless scalar fields. We studied the evolution of the angular pattern of gravitational wave emission and the mass extraction of the bounded configuration through the emission of both types of radiations. We present the first numerical code based on the Galerkin method to integrate the field equations of the Bondi problem. Several numerical tests were performed to verify the issues of convergence, stability and accuracy with promising results. This code opens up several possibilities of applications in more general scenarios for studying the evolution of spacetimes with gravitational waves.