Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias, Mención Física / Los plasmas son comunes en diferentes sistemas astronómicos. Una parte importante de estos plasmas están en el régimen no colisional, en que el camino libre medio de las partículas que lo componen es más grande que el tamaño del sistema. Un ejemplo de este tipo de objetos es el disco de acreción que se encuentra en las cercanías del agujero negro ubicado en el centro de la Vía Láctea, Sagitario A* (Sgr A*). Por su baja colisionalidad, se espera que el plasma en Sgr A* no siga una distribución de Maxwell-Boltzmann. Además, por la mayor eficiencia radiativa de los electrones, es también esperable que estos tengan menor temperatura que los iones. El grado en que se calientan los electrones en un sistema no colisional, así como su espectro de energía, tienen importantes consecuencias observacionales. Existen diversos mecanismos que pueden transferir energía a los electrones. Entre ellos están: reconexión magnética, interacción onda-partícula, y viscosidad anisotrópica. En esta tesis nos enfocamos en el calentamiento de electrones por medio de la interacción onda partícula y por calentamiento viscoso. Para ello realizamos simulaciones ``particle-in-cell'' (o PIC) de un plasma no colisional, magnetizado y sujeto a un cizalle permanente. Este cizalle produce una amplificación del campo magnético, obteniéndose así una anisotropía de presión en las particulas, debido a la invarianza adiabatica de su momento magnetico. Esta anisotropía produce inestabilidades cinéticas en el plasma, las que propagan ondas en escalas del radio de Larmor de las partículas. Algunos ejemplos relevantes para nuestro estudio son las inestabilidades de whistler e ion-ciclotrón. Estas inestabilidades pueden resonar preferentemente con los electrones e iones, respectivamente, otorgando o quitando energía a las partículas. Realizamos simulaciones con moderadas razones de masa entre iones y electrones, para estudiar a los electrones en el régimen cinético. Consideramos consistentemente el régimen no-lineal y cuasi-estacionario de las inestabilidades. Estudiamos el calentamiento de los electrones, y se encontró que estos se calientan principalmente por viscosidad. Sin embargo, se encontró un calentamiento extra, el que es transferido desde los iones a los electrones debido a la interacción de estos últimos con las ondas ion-ciclotrón (las que a su vez son principalmente producidas por los iones). Este calentamiento extra aumenta con la magnetización y disminuye al aumentar la razón de masa y la temperatura de los iones. Además, la componente no térmica del espectro de energía de los electrones se ve fuertemente modificada cuando el radio de Larmor de estos es similar al de los iones. Esta componente no térmica se asemeja bastante a lo que se infiere de observaciones de sistemas como Sgr A*. Nuestro trabajo nos permitió entonces encontrar condiciones que facilitan el calentamiento y aceleración no térmica de electrones debido a la transferencia de energía entre iones y electrones en plasmas no colisionales.

Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias, Mención Astronomía / En la presente tesis estudio cómo el proceso de fragmentación afecta la formación de las semillas de agujeros negros supermasivos primordiales utilizando simulaciones cosmológicas hidrodinámicas. Éstos se caracterizan por habitar los centros de los cuásares más brillantes observados en épocas muy tempranas del Universo. Debido a las limitaciones observacionales y a la complejidad de las ecuaciones que gobiernan los fenómenos, las simulaciones computacionales resultan ser la mejor forma de entender como estas estructuras se formaron. En este trabajo se realizaron cincuenta simulaciones de baja resolución compuestas sólo de materia oscura con el fin de identificar los halos más prometedores para la formación de semillas masivas. Tres halos fueron elegidos con el fin de ser re-simulados con mayor resolución. El criterio de selección se basó en la rotación del halo y en la historia de fusión con otro halos. Lo anterior se realizó requiriendo que todos tuvieran una masa > 5 × 10⁷ Msun. Una vez escogidos los halos, se procedió a re-simularlos incluyéndose la física del gas, mayor resolución, y un fondo uniforme de radiación UV. Además se agregó un algoritmo para formar partículas sumidero, las cuales representan las estructuras no resueltas por el código. Los tres halos escogidos se re-simularon imponiendo dos condiciones de fondo UV: una de intensidad baja, J21 = 10, y otra de intensidad alta, J21 = 10000. Se observó que dos de las simulaciones bajo la influencia de un fondo de radiación UV de gran intensidad replicaron muy bien el modelo de colapso directo, en el cual el gas del halo colapsa directamente en un objeto muy masivo (> 10⁵ Msun). Estas simulaciones formaron una única partícula sumidero, la que alcanzó masas mayores a 10⁵ Msun hacia el final de la simulación. En ambos casos la tasa de acreción se mantuvo mayor a 0.1 Msun/yr durante todo el tiempo que se mantuvo corriendo la simulación y no se observó fragmentación en estos casos. Por el contrario, en la re-simulación de un halo formado como resultado de una gran cantidad de fusiones, una estructura espiral se formó en los 5 pársec centrales. Dicha estructura se fragmentó formando varias partículas sumidero. La primera que se formó alcanzó una masa cercana a los 10⁵ Msun, mientras que las demás alcanzaron masas intermedias entre 10³ Msun y 5 ×10⁴ Msun. Las simulaciones con un fondo de radiación UV de baja intensidad revelaron en todos los casos fragmentación y formación de varias partículas sumidero. En estos casos las partículas más masivas alcanzaron masas del orden de 10⁴ Msun, la cual es menor que en el caso anterior, pero sigue siendo relevante para la formación de semillas masivas. Como se formaron varias partículas sumidero en todos estos casos, éstas están más propensas a interactuar entre ellas, pudiendo fusionarse intensificando su tasa de acreción, lo cual efectivamente se observó. Finalmente se concluye que la fragmentación no es un impedimento para la formación de semillas masivas, y que la dinámica de los sistemas es relevante para la formación y evolución de las mismas. / FONDECYT regular 1181663 y Centro de Excelencia en Astrofísica y tecnologías afines(PFB-06) que incluye el uso del Cluster Geryon en el centro de Astro-Ingeniería UC. Powered@NLHP: Esta investigación fue parcialmente apoyada por la infraestructura de supercómputo del NLHPC (ECM-02)

Magíster en Ciencias, Mención Física / The standard model of cosmology has some problems in order to describe the early stages of the universe. The theory of Cosmic Inflation, a phase of accelerated exponential expansion, was conceived to solve the previous problems in the model and it ended up giving an explanation for the primordial seeds of the universe. In this thesis, which consists of two parts, we study the effect of extra degrees of freedom during the inflationary era and their implications for the primordial statistics of the universe. In the first part, we study the creation of \textit{features} in the primordial scalar power spectrum resulting from temporary deviations from a quasi de-Sitter background. Specifically, how we can correlate scalar features to the ones in the primordial tensor power spectrum. We notice that these deviations from scale invariance are related via slow roll parameters. We derive a general relation linking features in the spectrum of curvature perturbations to the features in the spectrum for the tensor perturbations. We conclude that, even with large deviations from scale invariance in the curvature power spectrum, the tensor power spectrum remains scale invariant for all observational purposes. The second part is about the analysis of the inflationary landscape characterized by a multi-scalar field potential with many local minima. If this is the case, the quantum fluctuations of the scalar field had a chance to experience excursions traversing many local minima of the landscape potential. We study this situation by analyzing the dynamics of an axion-like field $\psi$ present during inflation, with a potential given by $v(\psi) = \Lambda^4 (1 - \cos (\psi / f))$. By assuming that the vacuum expectation value of the field is stabilized at one of its minima, say $\psi = 0$, we compute every $n$-point correlation function of $\psi$ to first order in $\Lambda^4$ using the \emph{in-in} formalism. This computation, which requires a resummation of all the loops due to the non-linear nature of $v(\psi)$, allows us to find the distribution function describing the probability of measuring $\psi$ at a particular field-value during inflation. Because $\psi$ is able to tunnel between the barriers of the potential, we find that the probability distribution function consists of a non-Gaussian multi-modal distribution such that the probability of finding $\psi$ near a given minimum of $v(\psi)$, different from $\psi=0$, increases with time. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por Proyecto Fondecyt 1171811

Magíster en Ciencias, Mención Astronomía / Las teorías actuales de formación planetaria concuerdan que los planetas se forman dentro de discos de gas y polvo alrededor de una estrella jóven. Sin embargo, no es claro cuál es el mecanismo detrás de la formación planetaria. Entre los mecanismos propuestos podemos encontrar que se podrían formar debido al colapso gravitacional, y de un núcleo masivo el cual acreta material. En el escenario de acreción de núcleo el polvo debe crecer varios ordenes de magnitud de manera eficiente. Un lugar en el disco en que el polvo logra concentrarse por un largo tiempo y crecer rápidamente son las llamadas 'trampas de polvo'. De manera interesante, los planetas podrían interactuar con el disco generando cavidades en él, la cual da el paso a la formación de una trampa de polvo debido a un máximo local de presión. Esto abre la posibilidad a la creación de una nueva generación de planetas. En el presente trabajo se estudia el escenario de formación de trampas de polvo debido a interacciones entre el disco y planetas para el disco protoplanetario alrededor de la estrella jóven MWC 758, el cual presenta indicios de la presencia de trampas de polvo. Nuevas observaciones realizadas con los radiotelescopios ALMA y VLA apoyan la existencia de dos 'trampas de polvo' en MWC 758. Por medio de simulaciones hidrodinámicas en dos dimensiones, las cuales incluyen el gas y polvo del disco, post-procesadas con cálculos de transferencia radiativa, se demuestra que las espirales observadas en luz de scattering y las dos concentraciones de emisión observadas en el rango (sub)milimétrico pueden ser causadas por dos planetas gigantes: un planeta de la masa de Júpiter a ~ 33 au (interior a las espirales) y un planeta de 5 masas de Júpiter a ~ 33 au de la estrella central (exterior a las espirales). El planeta externo desencadena la formación de varios brazos espirales que logran dar cuenta de algunas de las espirales observadas. Además forma un vórtice al borde interior de la cavidad que genera en la densidad del gas (a ~ 80 au), cuya emisión en el continuo termal encaja con las observaciones previas de ALMA y VLA, esto si se asume que el polvo está compuesto por granos porosos (con una densidad interna de ~ 0.1 g cm^-3 y de tamaños de hasta 1 cm. El planeta interno menos masivo forma un vórtice al borde externo de la cavidad que genera en el gas (a ~ 47 au), el que decae más rápido que el vórtice inducido por el planeta externo, como resultado de la viscosidad turbulenta del disco. La pérdida de eficiencia en atrapar el polvo de manera azimutal que se produce en el vórtice decayendo puede reproducir la baja señal y mayor extensión observadas en las imágenes VLA de esta trampa de polvo. Para poder confirmar el escenario propuesto en el presente trabajo aún es necesario encontrar de manera directa los posibles planetas, por ejemplo, encontrando su emisión termal o efectos en la cinemática del gas. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por Millennium Nucleus "Protoplanetary Disks in ALMA Early Science", Beca CONICYT-PFCHA/Magíster Nacional/2017-22171601, FONDECYT Regular 1171624 y Departamento de Postgrado y Postítulo de la Vicerrectoría de Asuntos Académicos de la Universidad de Chile. Powered@NLHPC: Esta investigación fue parcialmente apoyada por la infraestructura de supercómputo del NLHPC (ECM-02)