[論文レビュー] An accelerated Monte Carlo method to solve two-dimensional radiative transfer and molecular excitation

M. R. Hogerheijde, F. van der Tak|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2000

Atmospheric Ozone and Climate参考文献 1被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、軸対称な天体物理学的モデルにおける2次元放射線輸送および分子励起を解くための高速化されたモンテカルロ法を提示する。細胞ベースの定式化を用いることで、高光学厚さ（τ ~ 10^4）において局所的および外部の放射場を分離し、精度と速度を向上させる。この手法により、問題固有のチューニングを必要とせず、星形成環境における分子線放射およびダスト連続スペクトルの効率的で柔軟なモデリングが可能となる。

ABSTRACT

We present a numerical method and computer code to calculate the radiative transfer and excitation of molecular lines. Formulating the Monte Carlo method from the viewpoint of cells rather than photons allows us to separate local and external contributions to the radiation field. This separation is critical to accurate and fast performance at high optical depths (tau>100). The random nature of the Monte Carlo method serves to verify the independence of the solution to the angular, spatial, and frequency sampling of the radiation field. These features allow use of our method in a wide variety of astrophysical problems without specific adaptations: in any axially symmetric source model and for all atoms or molecules for which collisional rate coefficients are available. Continuum emission and absorption by dust is explicitly taken into account but scattering is neglected. We illustrate these features in calculations of (i) the HCO+ J=1-0 and 3-2 emission from a flattened protostellar envelope with infall and rotation, (ii) the CO, HCO+, CN and HCN emission from a protoplanetary disk and (iii) HCN emission from a high-mass young stellar object, where infrared pumping is important. The program can be used for optical depths up to 1000-10,000, depending on source model. We expect this program to be an important tool in analysing data from present and future infrared and (sub) millimetre telescopes.

研究の動機と目的

• 高光学厚さ（τ ≥ 100）における従来のモンテカルロ法の計算非効率性を解消し、現実の天体物理学的シミュレーションへの応用を可能にする。
• 軸対称幾何構造における分子線放射およびダスト連続スペクトルを扱える、柔軟で汎用的な数値ツールの開発。
• 原星包覆層、原始惑星円盤、高質量な若い星の対象における放射線輸送および非局所平衡（non-LTE）分子励起の正確なモデリングを可能にする。
• グローバルな輸送から局所的放射場の解法を分離することで、既存のモンテカルロコードの限界を克服し、収束性および安定性を向上させる。
• ALMA や SOFIA などの今後の赤外およびミリ波帯電波望遠鏡の観測データの解釈を支援するため、堅牢で再利用可能なシミュレーションフレームワークを提供する。

提案手法

• 個々の光子ではなく空間的セルの観点からモンテカルロ法を定式化することで、局所的および外部の放射場寄与を分離可能にする。
• 2段階の反復アルゴリズムを実装：第1段階では固定された角度および周波数サンプリングを用いて、ノイズを最小限に抑えた状態で粒子数分布に収束させる。第2段階では、誤差閾値を超えるセルに対して光線数を倍加させることで精度を向上させる。
• 加速ラムダ反復（ALI）にインspiredな技術を用いて、局所的励起および放射場を自己無撞着に解き、高光学厚さにおける収束性を向上させる。
• 散乱を無視することで計算複雑性を低減し、明示的にダスト連続スペクトルの発生および吸収を含める。
• 最終解に対してレイトレーシングを適用し、観測者の視線および距離に応じた天球平均強度分布を計算する。
• 同一の衝突率係数および幾何構造を用いて、ベンチマークモデル（BernesのCO雲およびChoiらのB335モデル）との比較により手法を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 セルベースのモンテカルロ定式化は、高光学厚さ（τ ≥ 100）における放射線輸送および分子励起計算の精度と効率を向上させ得るか？
• RQ2 球対称で光学的に厚い雲におけるCOおよびCS線励起に関して、この手法は確立されたベンチマーク結果をどれほど正確に再現するか？
• RQ3 この手法は、降着・回転する原星包覆層や原始惑星円盤を含む、複雑な軸対称源構造をどの程度適切に扱えるか？
• RQ4 局所的および外部放射場寄与の分離は、高動的範囲シミュレーションにおける収束速度およびノイズ低減に寄与するか？
• RQ5 高質量な若い星の対象における赤外線ポンピング効果を、線放射が放射捕獲に強く影響を受ける状況で、この手法はどれほど正確にモデリングできるか？

主な発見

• コードは、源構造に応じて光学厚さ10^3～10^4まで、問題固有のチューニングなしに放射線輸送および分子励起を正確にモデリングできた。
• Bernes（1979）のCO J=1–0およびJ=2–1の励起温度を、元の計算および現在の計算の精度内に再現し、放射捕獲の取り扱いが妥当であることを検証した。
• B335モデルに関しては、CS線の線幅プロファイルにおいてChoiら（1995）の結果と10%以内に一致し、速度場および光学厚さ効果の正確な取り扱いを確認した。
• H2CO線の励起に関する乖離は、コードの誤りではなく、衝突率係数の差異に起因するとされ、放射出線プロファイルにおいて約10%のずれが一貫して観測された。
• シリンダ対称な実装は、球対称バージョンと一貫した結果を生じ、わずかな数値的ウィッグルは円柱グリッドにおける幾何的離散化に起因するとされた。
• ベンチマーク用CO雲に対して、標準のワークステーションで約5分で実行可能であり、複雑な天体物理学的モデルの計算可能性を示した。