研究

引力波

爱因斯坦的一般相对论理论预测，加速巨大的身体将产生引力波，并在时空的结构中产生振动。美国引力波干涉仪[激光干涉仪重力天文台（LIGO）]和意大利（处女座）已经检测到这样的海浪，而印度的探测器（Ligo-India）和日本（卡格拉）将在2020年代参加狩猎。太空传播探测器，例如激光干涉仪空间天线（LISA）任务，也正在计划NASA和欧洲航天局在2030年代。但是引力波非常虚弱，影响引力波干涉仪中镜之间的距离通常在质子的一千个半径中少于一部分。因此，重力波信号的精确表征需要构建精确波形模板，以滤波噪声数据。我们在灵感，诸如黑洞和中子恒星等灵感，合并和响声中发出的重力波的分析和数值建模，以产生可以在数据分析中有效使用的波形模板。然后，我们在贝叶斯框架中实现这些波形模型，以确定可以从基于地面和空间的检测器的实际数据中提取多少物理学。

分析相对性

黑洞和中子星是爱因斯坦理论的一些最迷人的预测。这些物体是如此紧凑，以至于当它们的灵感和合并时，它们产生的引力波足够强，可以被检测到地球上数以百万计和数十亿的光线。但是，在合并之前和合并后，它们的灵感运动的建模和引力波需要使用复杂的扰动理论技术。一种这样的技术是牛顿后理论，其中人们在弱场和缓慢的扩张中求解了爱因斯坦方程。另一种技术是黑洞扰动理论，其中一种扰动地对黑洞或由于二元伴侣而在黑洞或中子星上进行了潮汐作用，例如潮汐加热和扭矩。我们使用这些近似值以及其他高级数学技术来理解紧凑型物体的怪异和旋转的灵感。我们还使用黑洞扰动理论来对黑洞形成作为紧凑物体碰撞的残留物形成后发出的准正常重力波模式进行建模。发出的引力波的灵感和准正态分线模型都是检测到的引力波的表征的关键成分。

数值相对论

在紧凑物体合并期间（例如黑洞或中子星）合并期间展开的非线性，动力学和强烈的重力状态可能是理解重力的真实性质的关键。但是，不能通过分析对其进行建模。为了增强我们对该制度的理论理解，我们采用了全面的数值相对性模拟，其中我们在高性能计算设施上解决了爱因斯坦方程（或其扩展）。我们专注于3+1，经典的一般相对论，更高维度的黑洞或中子星的合并以及重力理论。数值相对性的紧迫目标之一是从有希望的天体物理来源计算重力波，以便为基于空间的检测器提供理论模板。开创性相对论的新数值公式以及其他提出的引力理论以及适用于稳定的初始值和约束方程的稳定数值解决方案和进化方程的算法是数值相对性的主要挑战。另一个挑战是开发可靠的物理模型来描述重力的现实天体物理来源，巩固数值相对论是“多通用器天文学”的必不可少的工具。

一般相对论的测试

爱因斯坦的一般相对论理论已经通过了我们对颜色进行的所有测试。然而，这些测试在时空的制度中验证了爱因斯坦的理论，在时期，重力场相当弱或非动力，相对于光速相对于光速而言，速度很小。此外，已知一般相对论和量子力学在基本水平上是不兼容的。黑洞和中子星的晚期灵感和合并的引力波观测为在这种极端方案中探测重力提供了无与伦比的实验室。我们提出，开发和进行一般相对论的测试，该测试能够探测极端重力状态的引力波，二元脉冲星和其他天体物理数据。当缺乏具体和完整的引力模型时，我们使用有效的现场理论技术来对爱因斯坦理论进行修改，该理论违反了其基本原理之一，例如均衡不变性，地方性或一般协方差。然后，我们将这些模型与数据进行比较，以获取对一般相对论的修改的洞察力，并试图通过量子力学提供紫外线完成，或者试图通过对红外的爱因斯坦方程进行修改来解释暗物质和暗能量。

宇宙学

爱因斯坦的理论不仅重塑了天体物理学，而且还诞生了宇宙学领域，研究了宇宙的进化。宇宙学不仅在宇宙的整体演变中起着重要作用，而且在超级质量黑洞的形成以及簇和光晕中的暗物质动力学中起着重要作用。随着引力波观测的出现，现在可以使用引力波研究宇宙学。当前的引力波观测能够通过对哈勃常数的精确和独立的测量来提供有关宇宙膨胀速率的信息。使用第二代探测器的未来重力波观测甚至可以提供有关W的信息，即与暗能量流体的压力和密度相关的状态参数的暗能方程。第三代探测器还可以通过相变或宇宙学缺陷在早期宇宙中产生的重力波的宇宙学随机背景上检测或放置约束。我们致力于建模这些对二进制系统发出的重力波的建模和其他宇宙学影响，然后将这些模型与数据进行比较以提取宇宙学信息。

黑洞作为粒子物理实验室

宇宙中所有物质中80％以上的构成仍然是一个谜。这种难以捉摸的“暗物质”将其足迹留在了对星系簇，重力透镜和银河旋转曲线的观察中。然而，它的组成和特性是现代物理学中最引人注目的难题之一。黑洞提供了一种新型的实验室类型，可以研究候选暗物质的超轻质标准模型颗粒。使这一可能的基本机制称为超高：低频玻色磁场随着它们与旋转的黑洞相互作用，并且可以形成周围暗物质场的冷凝水（或云）。反过来，这影响了黑洞二进制的动力学以及它们在合并期间发出的引力波信号，并以非琐碎的方式合并。我们使用分析和数值相对论技术研究了这些超光颗粒的现象学和新的观察性特征。并可能可观察到的签名来限制候选暗物质。

中子星和核物理学

在极端条件下，核物质如何行事？中子恒星从垂死的星星出生的，主要由中子组成的超级反应物体提供了新的途径来回答这个基本问题。我们结合了相对论的天体物理学，引力，（磁性）流体动力学和高性能计算，以研究孤立的中子恒星的结构，它们的旋转和稳定性以及中子starneutron-Star或中子星形星际风格的非线性动力学。我们的数值模拟发现，中子恒星合并的残留物可以导致过度质量的中子恒星，该恒星通过差异旋转来支持重力塌陷。我们还通过分析和半数字发现，中子恒星中存在近似的普遍关系，这些恒星允许Ligo使用灵感中子星的重力波观测来对超核密度的状态方程进行约束。我们还证明了动态稳定的矩阵的存在 - 中子恒星，其中包含可能形成作为极端二进制中子恒星合并的残余物，并可能提供了为短伽玛射线爆发供电的另一种机制。

伽马射线爆发和Kilonovae

短伽马射线爆发的起源的奥秘部分通过了与观察到的引力波信号GW170817相关的对应物爆发的第一个多通信器检测（几乎同时检测引力和电磁辐射）在2017年在2017。该信号是从二进制中子星合并中推断出来的，如其从灵感引力波形获得的质量所估计。这一结论证实了长期以来的信念，即发动机短伽玛射线爆发是紧凑的二进制合并，其中包含至少一个中子星，即二元中子星或黑孔 - 中子恒星。我们最近在数值相对性方面的模拟表明，此类合并确实可以从残留的黑洞的极点发射相对论喷射，这是标准伽马射线爆发模型的关键成分。GW170817中重力波和伽马射线爆发后的基洛诺瓦辐射的检测为二进制合并方案提供了更多支持。这些合并以GW辐射以及电磁对应物发射（“多通用天文学”的圣杯）为特征，是大量积极研究的主题。

黑洞喷气机

活性银河核弹出的强大喷气机如何跨越数千个光年？紧凑型二进制文件合并后产生电磁辐射的能量爆发的机制是什么？围绕超大质量或恒星质量的黑洞或中子恒星合并中弹出的物质的密集物可能会提供另一种新颖的途径来回答这个问题。高性能的数值模拟允许相对论引力与（磁 - ）流体动力学相结合，使我们能够生成黑洞中的星星合并的开创性模拟，以表明此类事件可以发射磁性粘合的喷气机，从而产生短伽马射线爆发。我们对磁化二进制中子星星的模拟还揭示了由Blandford-Znajek机制提供动力的喷气机，并使我们能够为中子恒星的最大质量提供新的估计值。我们继续研究紧凑物体合并中可观察到的特征的数值预测，并由多个使者（包括引力和电磁辐射）检测到。

天体物理动力学

长期以来，大型N体系统在重力上相互作用的动力学一直是引起人们极大兴趣的主题。这样的系统松散地分为两个一般类别：无碰撞和碰撞。无碰撞系统中的成分，例如典型星系中的恒星，以及早期宇宙中的普通暗物质或星系和绑定的光环中的普通暗物质，对它们移动的系统的光滑，背景引力场做出了反应。相比之下，碰撞系统中的成分，例如球状簇中的恒星和密集的银河核，以及星系和光晕中的自我相互作用的暗物质，此外，经验还具有2体的累积效应，重力散射在遥远的邻居中。它们的响应发生在引力“松弛时间尺度”上，并且每当后者短于系统时代时，都很重要。松弛会导致结合簇中的“重生灾难”，从而随着时间的推移而增加了核心的密度和速度分散，但质量会减少。对相对性的最大兴趣是稳定性，进化和可能崩溃对相对论簇和暗物质光环的黑洞，二进制物在恒星核心中的形成和作用，包括二进制黑洞和中子星的形成，以及密度的形成超级质量黑洞周围的星星和/或暗物质的尖峰以及通过放松的这种系统的演变。

磁塌陷

恒星进化的终点的巨大主序列恒星经历了磁化折叠到中子恒星和黑洞，并突出了超新星爆炸以及中微子和重力波的爆发。数十年来，追踪这种灾难性过程一直是激烈研究的对象。随着我们的计算机械的发展（硬件和软件），我们努力越来越了解控制控制崩溃结果的关键物理机制。数百个太阳能的第一代“流行III”恒星的磁塌陷可能会产生在大多数星系和类星体中心观察到的超大质量黑洞的种子。另外，具有数千个太阳能质量的超大质量崩溃可能会触发星系中的超大质量黑洞的形成，并导致其最终通过积聚和合并而增长。我们最近的一般相对论模拟表明，磁化崩溃可能导致残留的黑洞的强大喷射，这支持了这些事件可能是长伽马射线爆发的起源。塌陷还可能产生低频引力波，最终可以通过激光干涉仪测量。