[論文レビュー] A code for optically thick and hot photoionized media

A. M. Dumont, A. Abrassart+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2000

Nuclear reactor physics and engineering被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、硬いX線連続スペクトルで照射される高温で光学的に厚い媒体を想定した新しい光電離コード、titanを提示する。このコードは、連続スペクトルおよび線スペクトルの全放射輸送を2ストリーム近似で解き、局所的脱出確率近似を回避する。さらに、Compton散乱を正確にモデル化するため、モンテカルロコード（noar）と結合しており、特に高テオドール光学厚さ下での熱的・イオン化的・スペクトル的構造に関して、cloudyなどの従来コードよりも高い精度を達成している。

ABSTRACT

We describe a code designed for hot media {(T $\ge$} a few 10$^4$ K), optically thick to Compton scattering. It computes the structure of a plane-parallel slab of gas in thermal and ionization equilibrium, illuminated on one or on both sides by a given spectrum. Contrary to the other photoionization codes, it solves the transfer of the continuum and of the lines in a two stream approximation, without using the local escape probability formalism to approximate the line transfer. We stress the importance of taking into account the returning flux even for small column densities (10$^{22}$ cm$^{-2}$), and we show that the escape probability approximation can lead to strong errors in the thermal and ionization structure, as well as in the emitted spectrum, for a Thomson thickness larger than a few tenths. The transfer code is coupled with a Monte Carlo code which allows to take into account Compton and inverse Compton diffusions, and to compute the spectrum emitted up to MeV energies, in any geometry. Comparisons with {\sc{cloudy}} show that it gives similar results for small column densities. Several applications are mentioned.

研究の動機と目的

• 硬いX線連続スペクトルで照射される高温で光学的に厚い、Compton遮蔽媒体のための正確な光電離コードの不足を補う。
• 線輸送に局所的脱出確率近似を用いる従来のコードの限界を克服し、特に厚い媒体ではこの近似が破綻することを解消する。
• 全放射輸送を用いた平面平行スラブにおけるエネルギー収支、イオン化状態、統計的平衡の自己一貫的取り扱いを確立する。
• モンテカルロ法によるCompton散乱コードと結合することで、MeVエネルギー領域までの反射および放出スペクトルを正確に計算可能にする。
• AGN、降着円盤、X線連星など多様な天体物理学的環境をモデル化できる、柔軟でモジュラー構造（titan, noar, pegas, iris）を提供する。

提案手法

• 連続スペクトルおよび線スペクトルの放射輸送を、局所的脱出確率形式を避ける2ストリーム近似で解く。
• エネルギー収支、イオン化状態、統計的平衡方程式の連立解法を用いて、平面平行スラブ幾何における熱的・イオン化的構造を計算する。
• 直接的および逆Compton散乱をモンテカルロ法（noar）でモデル化し、MeVエネルギー領域までの正確なスペクトル計算を可能にする。
• モジュラー構造を採用：titanは構造と輸送を担当、noarはCompton散乱とスペクトル合成を担当、pegasは薄い媒体を担当、irisは高分解能線輝度を担当。
• 最新の原子データを統合し、L殻鉄線や追加元素を含む多準位原子方程式を解く。
• 標準の光電離コードで無視されるが、正確な結果に不可欠であると示された戻り放射フラックスを一貫して取り扱う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光電離コードで戻り放射フラックスを無視すると、光学的に厚く高温の媒体の熱的・イオン化的構造にどのような影響を与えるか？
• RQ2 Compton遮蔽媒体では、局所的脱出確率近似がどの程度破綻し、イオン化状態およびスペクトル構造にどのような誤差を生じるか？
• RQ3 2ストリーム放射輸送とモンテカルロ法によるCompton散乱を組み合わせることで、cloudyなどの従来の脱出確率ベースコードに比べ、より正確な結果が得られるか？
• RQ4 同じ物理的設定下で、新しいコード（titan/noar）と既存モデル（例：Zycki et al. 1994）との間で、熱的・イオン化的構造および反射スペクトルにどのような差が生じるか？
• RQ5 このような複雑な光電離コードにおいて、収束を加速し、原子データ処理を向上させるために何が必要か？

主な発見

• 表面密度が10^22 cm^-2でさえも、戻り放射フラックスを含める必要がある。これを無視すると、熱的・イオン化的構造に顕著な誤差が生じる。
• テオドール光学厚さが数分の1を超えると、脱出確率近似による誤差が熱的・イオン化的構造および放出スペクトルに顕著に現れる。
• ξ ≈ 200 erg cm s^-1 のスラブにおいて、新しいコードではOVIII吸収エッジが発光線として現れるが、Zyckiらのモデルでは吸収線として現れる。これは表面温度の違いと深層冷却の差による。
• titanが計算する温度プロファイルは、Zycki らのモデルよりも高い表面温度を示し、τ_T ≈ 0.7 で黒体温度に達し、τ_T > 0.7 ではそれ以下に低下する。
• titanとZycki らのモデルで計算された反射スペクトルは全体的な形状は類似しているが、OVIIIエッジの差異は正確な熱的構造の重要性を強調している。
• 全構造およびスペクトルの収束が合理的な時間内に達成されるが、収束加速のための加速ラムダ反復法（Accelerated Lambda Iteration）の導入が今後の主要な改善点であると判明した。