The interplay between the evolution and dynamics of stellar systems

Vynatheya, Pavan (2024): The interplay between the evolution and dynamics of stellar systems. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

A significant fraction of stars in the Universe exist within binary and multiple-star systems, while others reside in dense stellar environments like star clusters. These stars evolve quite differently from their isolated counterparts due to various interactions with their companions, some of which include mass transfer, stellar tides, stellar encounters, and collisions. Many fascinating observational phenomena, such as gravitational wave emission and tidal disruption events, occur due to these interactions. In this thesis, I studied this interplay between stellar evolution and dynamics, specifically focusing on hierarchical multiple-star systems and the gravitational encounters of stars. First, I investigated the mergers of compact objects, i.e., black holes and neutron stars, within quadruple-star systems. These mergers garner considerable interest as the progenitors of gravitational wave emission. Utilizing the population synthesis code \texttt{MSE}, I found that secular evolution in quadruples, which can induce high eccentricities in the stellar orbits, plays a pivotal role in bringing the compact objects close enough to merge within a Hubble time. Furthermore, binary black hole mergers in such systems can represent a significant fraction of the observed rates. The reliability of such population synthesis studies hinges upon understanding the evolution of multiple-star systems, necessitating a comprehensive analysis of their dynamical stability. Using neural network classifiers in conjunction with the $N$-body code \texttt{MSTAR}, I accurately classified triples and quadruples as stable or unstable by assessing their long-term boundedness. Specifically for triples, I refined and enhanced the accuracy of an existing analytical classification formula. This study sheds light on the long-term stability of these systems, offering crucial insights into their evolution and dynamics. Additionally, I explored close encounters between stars and stellar-mass black holes within the context of star clusters. These interactions often lead to micro tidal disruption events ($\mu$TDEs), which alter the trajectories and masses of the involved objects. By conducting detailed 3D simulations using the hydrodynamics code \texttt{AREPO} and the stellar evolution code \texttt{MESA}, I determined the masses, spins, and orbital trajectories of the remnants resulting from partial $\mu$TDEs. The derived analytical formulae provide a valuable tool for accurately modeling star-black hole interactions within star cluster environments. These studies underscore the importance of external factors in shaping the evolution of stars. Therefore, it is essential to understand stellar dynamics and mass transfer interactions, in addition to single star evolution, to paint a complete picture of their lives.

Abstract

Ein erheblicher Teil der Sterne im Universum existiert in Doppel- und Mehrfachsystemen, während andere in dichten stellaren Umgebungen wie Sternhaufen leben. Derartige Sterne entwickeln sich anders als ihre isolierten Gegenstücke aufgrund verschiedener Wechselwirkungen mit ihren Begleitern, wie beispielsweise der wechselseitige Transfer von Masse, stellare Gezeitenkräfte, oder gegenseitige Bahnablenkungen und Kollisionen. Viele faszinierende Beobachtungsphänomene, wie die Emission von Gravitationswellen und Gezeiten-Sternzerrissereignis, sind auf diese Wechselwirkungen zurückzuführen. In dieser Arbeit habe ich das Zusammenspiel zwischen Sternentwicklung und -dynamik untersucht und konzentriere mich dabei auf hierarchische Mehrfachsternsysteme und die gravitative Wechselwirkung von Sternen. Zunächst untersuchte ich die Verschmelzung von kompakten Objekten, d.h. von Schwarzen Löchern und Neutronensternen in Vierfachsternsystemen. Diese Verschmelzungen sind von großem Interesse, da sie die Ursache für die Emission von Gravitationswellen sind. Mithilfe des Populationssynthese-Codes \texttt{MSE} habe ich herausgefunden, dass die säkulare Entwicklung in Vierfachsternsystemen, die hohe Exzentrizitäten in den stellaren Umlaufbahnen hervorrufen kann, eine entscheidende Rolle dabei spielt, die kompakten Objekte nah genug aneinander heranzubringen, um innerhalb der Hubble-Zeit zu verschmelzen. Darüber hinaus kann die Verschmelzung von binären Schwarzen Löchern in derartigen Systemen erheblich zu den beobachteten Raten beitragen. Die Zuverlässigkeit solcher Populationssynthesestudien hängt von Verständnis der Entwicklung von Mehrfachsternsystemen ab, was eine umfassendes Analyse ihrer dynamischen Stabilität erfordert. Mit Hilfe von Klassifikationsverfahren für neuronale Netze in Verbindung mit dem $N$-Körper code \texttt{MSTAR} habe ich Dreifach- und Vierfachsysteme durch die Bewertung ihrer langfristigen Gebundenheit als stabil oder instabil definieren können. Insbesondere für Dreifachsysteme habe ich die Genauigkeit einer bestehenden analytischen Klassifizierungsformel verfeinert und verbessert. Diese Studie erforscht daher eingehend die langfristige Stabilität dieser Systeme und bietet wichtige Einblicke in ihre Entwicklung und Dynamik. Darüber hinaus untersuchte ich die gravitative Wechselwirkung zwischen Sternen und stellaren Schwarzen Löchern im Kontext von Sternhaufen. Diese Wechselwirkungen führen häufig zu Mikrogezeitenstörungen ($\mu$TDEs), welche die Flugbahnen und Massen der beteiligten Objekte verändern. Mit Hilfe detaillierter 3D-Simulationen unter Verwendung des Hydrodynamik-Codes \texttt{AREPO} und des Sternentwicklung-Codes \texttt{MESA} habe ich die Massen, Spins und Umlaufbahnen nach partiellen $\mu$TDEs bestimmt. Die daraus abgeleiteten analytischen Formeln sind ein wertvolles Werkzeug für die genaue Modellierung von Wechselwirkungen zwischen Sternen und Schwarzen Löchern in Sternhaufenumgebungen. Diese Studien unterstreichen die Bedeutung externer Faktoren für die Entwicklung von Sternen. Sie zeigen, wie wichtig es ist, neben der Entwicklung einzelner Sterne auch die stellare Dynamik und die Wechselwirkungen des Massentransfers zu verstehen, um ein vollständiges Bild ihres Lebens zu zeichnen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: stellar evolution, stellar dynamics, binary stars, multiple stars, black holes, gravitational waves, tidal disruption events
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 9. April 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Mink, Selma de