Acoplamento entre ondas gravitacionais e plasmas fortemente magnetizados em binárias de estrelas de nêutrons

• Ano de defesa: 2020
• Autor(a) principal: Adam Smith Gontijo Brito de Assis
• Orientador(a): Oswaldo Duarte Miranda
• Banca de defesa: Carlos Alexandre Wuensche, Massimo Tinto, Manuel Máximo Bastos Malheiro de Oliveira, Jorge Ernesto Horvath
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Astrofísica
• País: BR
• Resumo em Inglês: Coalescence of binary neutron stars produces a significant amount of gravitational waves. The source GW170817 detected by Advanced LIGO and Virgo associated with GRB170817A inaugurated the multi-messenger astronomy, confirming the model that neutron stars are also progenitors of short Gamma-Ray Burst events. The total mass of the detected binary was 2.73M, and it produced a short GRB with duration of 2 ± 0.5s and equivalent isotropic energy of ~ 1039 − 1040 J. This emission is produced according to the fireball model, which consists of electronpositron pairs, radiation, and baryonic matter. The last one absorbs most of the energy from the explosion, reaching Lorentz factors ( ) in the order of 102 - 103. Due to the intense magnetic fields of the neutron stars and the strongly magnetized plasma surrounding these sources of GWs, the Alfvén and magneto-acoustic modes of magneto-hydrodynamic waves are excited, respectively, by the polarizations × and + of the GWs. The excited MHD waves, in turn, carry energy through the plasma, suggesting an alternative mechanism for the acceleration of matter with high Lorentz factors. The GW amplitude depends on the frequency of the system, therefore, the energy deposited in the plasma depends on the frequency of the gravitational radiation. We found the closed set of equations describing the ideal MHD plasma excited by the GWs emitted by the neutron binary star. We calculated the energy transferred between the waves during the inspiral phase of the coalescence. Our results show that the lower frequencies also contribute to the absorption of energy in the plasma and that, for the magnetosonic mode, the stored energy can reach values ~ 1036J, when we consider similar conditions as GW170817 emitting GW in the range ~ 100 Hz up to ~ 1.61 kHz. With an analogous calculation, for the Alfvén mode, the energy stored by the coupling can reach values 1035J within the frequency range. We show that the Poynting vector and the radiation pressure produced by the interaction of GW - plasma can play an important role in the generation of the ultra-relativistic flow of GRBs. The energy observed for GRB170817A, in principle, can be explained if the angle formed between the orientation of the background magnetic field and the GW propagation direction is /2. All results are obtained, semi-analytically, for the MHD waves interacting coherently with the GWs.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21c/2020/10.08.15.58

A coalescência de binárias de estrelas de nêutrons produz quantidade significativa de ondas gravitacionais. A fonte GW170817 detectada pelo Advanced LIGO e Virgo associada ao GRB170817A inaugurou a astronomia multi-mensageira, confirmando o modelo de que as estrelas de nêutrons são também progenitores de eventos Gamma- Ray Bursts de curta duração. A massa total da binária detectada foi de 2, 73M, produziu um GRB de curta duração 2±0, 5s e com energia isotrópica equivalente de ~ 1039−1040J. Essas emissões são produzidas de acordo com o modelo de fireball, que consiste em pares elétron-pósitron, radiação e matéria bariônica. Esta última absorve a maior parte da energia da explosão, chegando a alcançar fatores de Lorentz ( ) da ordem de 102-103. Devido aos intensos campos magnéticos de estrelas de nêutrons e ao plasma fortemente magnetizado circundante a essas fontes de OGs, os modos Alfvén e magneto-acústico de ondas magneto-hidrodinâmicas são excitados pelas polarizações das OGs, × e +, respectivamente. As ondas MHD excitadas, por sua vez, carregam energia através do plasma, sugerindo um mecanismo alternativo para a aceleração da matéria com altos fatores de Lorentz. A amplitude da OG depende da frequência do sistema, por conseguinte, a energia depositada no plasma depende da frequência da radiação gravitacional. Nós encontramos o conjunto fechado de equações que descrevem o plasma MHD ideal excitado pelas OGs emitidas pela binária de estrelas de nêutrons. Calculamos a energia transferida entre as ondas durante a fase inspiral da coalescência. Nossos resultados mostram que as frequências mais baixas contribuem significativamente para a absorção da energia no plasma e que, para o modo magnetossônico, a energia armazenada pode alcançar valores ~ 1036J, quando nós consideramos as condições do sistema GW170817 emitindo OG na faixa ~ 100 Hz até ~ 1, 61 kHz. Com cálculo análogo, para o modo Alfvén, a energia armazenada pelo acoplamento pode alcançar valores ~ 1035J dentro da faixa de frequências. Mostramos que o o vector de Poynting e a pressão de radiação produzidos pela interação da OG e plasma podem ter papéis importantes na geração do fluxo ultrarrelativístico de GRBs. A energia observada para o GRB170817A, em princípio, pode ser explicada se o ângulo formado entre a orientação do campo magnético ambiente e a direção de propagação das OGs é de /2. Todos os resultados são obtidos, semi-analiticamente, para as ondas MHD interagindo coerentemente com as OGs.