Dynamical aspects of discoidal astrophysical systems

Orientadores: Alberto Vazquez Saa, Marcus Aloizio Martinez de AguiarTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb WataghinResumo: Neste trabalho analisamos aspectos dinâmicos de sistemas astrofísicos que possuem uma componente discoidal proeminente. Estudamos o movimento de partículas de teste (estrelas) que cruzam discos galácticos bidimensionais e axialmente simétricos, obtendo uma fórmula para o envelope das órbitas que depende somente da densidade superficial $\Sigma$ do disco. Essa fórmula nos dá uma terceira integral de movimento aproximada para o sistema. Também analisamos a estabilidade das órbitas circulares equatoriais nesses discos, chegando à condição de estabilidade vertical $\Sigma>0$. Esse formalismo é estendido para discos tridimensionais, assim como para a relatividade geral (em que obtivemos que a \textit{condição de energia forte} é suficiente para a estabilidade vertical das órbitas circulares em discos infinitesimais, no caso estático e axialmente simétrico). Trabalhamos também com a aproximação pós-newtoniana (1PN), obtendo o formalismo hamiltoniano para uma distribuição arbitrária de matéria, assim como as correções 1PN nas frequências epicíclicas radial e vertical para configurações estacionárias e axialmente simétricas e a terceira integral de movimento aproximada para discos infinitesimais (estacionários). Outro resultado obtido foi a dependência das frequências epicíclicas com a curvatura riemanniana do espaço-tempo para distribuições suaves de matéria-energia, no caso estático e axialmente simétrico em relatividade geral. A segunda parte desta tese corresponde aos resultados para discos de acreção. Analisamos o movimento de partículas de teste na métrica de Kehagias & Sfetsos (solução esfericamente simétrica da gravitação de Horava no caso em que o espaço-tempo é assintoticamente plano), na região de parâmetros em que a singularidade central é nua. Por fim, estudamos a espessura dos discos de acreção super-Eddington obtida por simulações globais recentes de radiation magnetohydrodynamics em relatividade geral. O resultado foi comparado com modelos de discos slim para taxas de acreção similares, levando à conclusão de que o estado final (estacionário) dos fluxos de acreção gerados por essas simulações é um disco slim, e não um disco espesso, como seria esperado pelas características das configurações iniciais do tipo Polish Doughnuts usualmente adotadasAbstract: In this work, we analyze dynamical aspects of astrophysical systems containing a prominent discoidal component. We study the motion of test particles (stars) which cross bidimensional, axially symmetric galactic disks, obtaining a formula for the orbits' envelope which depends solely on the disk's surface density. This formula gives us an approximate third integral of motion for the system. We also analyze the stability of equatorial circular orbits in these disks, arriving at the vertical stability condition $\Sigma>0$. This formalism is extended to three-dimensional disks, as well as to general relativity (in which we obtained that the \textit{strong energy condition} is sufficient for vertical stability of circular orbits in infinitesimal disks, in the static and axially symmetric case). We also worked with the post-Newtonian approximation (1PN), obtaining the Hamiltonian formalism for an arbitrary matter distribution, as well as the 1PN corrections to the radial and vertical epicyclic frequencies for stationary and axially symmetric configurations, and the approximated third integral of motion for (stationary) infinitesimal disks. Another result obtained was the dependence of the epicyclic frequencies on the Riemannian spacetime curvature for smooth matter-energy distributions, in the static and axially symmetric case. The second part of this thesis corresponds to the results concerning accretion disks. We analyzed the motion of test particles in the Kehagias & Sfetsos metric (spherically symmetric solution to Horava's gravity in the case in which the spacetime is asymptotically flat), in the parameter region in which the singularity is naked. Finally, we studied the thickness of super-Eddington accretion disks, obtained via recent global radiation magnetohydrodynamics simulations in general relativity. The result was compared with slim-disk models for similar accretion rates, leading to the conclusion that the final (stationary) state of accretion flows generated by these simulations is a slim disk, and not a thick disk, as it would be expected by the characteristics of the usually adopted Polish Doughnuts initial configurationsDoutoradoFísicaDoutor em Ciência