[論文レビュー] Ionization Modeling Astrophysical Gaseous Structures. I. The Optically Thin Regime

Christopher W. Churchill, E. S. Klimek+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2014

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 12被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、光線透過性の高い天体物理学的ガスにおける平衡イオン化分率を、光電離、衝突電離、再結合過程を用いて高速かつ高精度に計算するコードhartrateを提示する。主なイオン（H、He、C IV、O VI、Mg II）において、Cloudy 13.03と優れた一致を示し、密度および温度の広い範囲でイオン化補正の差が≤0.05 dex以内に収まる。これにより、宇宙論的シミュレーションにおける吸収線解析が効率的に行える。

ABSTRACT

We present a code for modelling the ionization conditions of optically thin astrophysical gas structures. Given the gas hydrogen density, equilibrium temperature, elemental abundances, and the ionizing spectrum, the code solves the equilibrium ionization fractions and number densities for all ions from hydrogen to zinc. The included processes are photoionization, Auger ionization, direct collisional ionization, excitation auto-ionization, charge exchange ionization, two-body radiative recombination, dielectronic recombination, and charge exchange recombination. The ionizing spectrum can be generalized to include the ultraviolet background (UVB) and/or Starburst99 stellar populations of various masses, ages, metallicities, and distances. The ultimate goal with the code is to provide fast computation of the ionization conditions of gas in N-body + hydrodynamics cosmological simulations, in particular adaptive mesh refinement codes, in order to facilitate absorption line analysis of the simulated gas for comparison with observations. To this end, we developed a method to linearize the rate equations and efficiently solve the rate matrix with a minimum number of iterations. Comparing the code to Cloudy 13.03 (Ferland), we find that the hydrogen and helium ionization fractions and the metal species ionization corrections are in excellent agreement. We discuss the science drivers and plans for further development of the ionization code to a full radiative hydrodynamic routine that can be employed for processing the simulations. A stand-alone version of the code has been made publicly available (http://astronomy.nmsu.edu/cwc/Software/Ioncode/).

研究の動機と目的

• N体+流体力学的宇宙論的シミュレーション、特に適応メッシュ細分化（AMR）コードに使用可能な高速かつ高精度なイオン化コードの開発。
• 大規模なシミュレーションの事後処理を効率的に行い、観測されたクェザール吸収線データと比較可能な合成吸収線を生成するための支援。
• UVBおよびStarburst99星族モデルを含む現実的なイオン化スペクトルを用いて、周銀河媒体（CGM）のイオン化状態をモデル化する。
• 最小限の入力で観測用イオン化モデリングに使用可能なスタンドアロンツールを提供する。
• 自己遮蔽および周波数依存の放射移動を備えた完全な放射流体力学的シミュレーションへの将来的な統合の基盤を構築する。

提案手法

• 計算効率を確保するため、反復回数を最小限に抑えた線形化されたレート方程式系を解くことで、イオン化平衡状態を求める。
• 8つの主要な物理過程を組み込む：光電離、オーゲン電離、直接的衝突電離、励起自己電離、イオン交換電離、2体放射再結合、誘電体再結合、イオン交換再結合。
• イオン化スペクトルは赤方偏移（Haardt & MadauのUVB用）および/またはStarburst99モデル（指定された質量、年齢、金属量、距離を含む）で定義される。
• 光線透過条件とイオン化平衡の仮定の下、HからZnまでの全イオンのイオン化分率および数密度を計算する。
• 光電離、再結合、衝突電離断面積のための公開済み原子データを、Verner、AMDPP、ORNLデータベースから利用する。
• 計算反復回数を最小限に抑えるために、レート行列方程式に線形化技術を適用し、高い精度を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 hartrateは、光線透過領域において、ベンチマークコードであるCloudy 13.03と比較して、どの程度正確にイオン化分率および補正を再現できるか？
• RQ2 密度および温度の異なる条件下で、Mg II、C IV、O VIといった主要な吸収線イオンのイオン化補正が、hartrateとCloudyの間でどの程度一致するか？
• RQ3 hartrateは、大規模な宇宙論的シミュレーションの事後処理に適した方法で、イオン化状態を効率的に計算できるか？
• RQ4 温度および密度が、CGMにおける水素、ヘリウム、金属種のイオン化バランスに及ぼす影響は何か？
• RQ5 hartrateは、UVBとStarburst99の星族モデルを含む複合イオン化源をどの程度適切に扱えるか？

主な発見

• hartrateは、水素およびヘリウムのイオン化分率について、Cloudy 13.03と優れた一致を示し、観測誤差の範囲内に収まる。
• −7 ≤ log n_H ≤ 0および3 ≤ log T ≤ 6のパラメータ空間全域で、Mg II、C IV、O VIのイオン化補正差が≤0.05 dex以内に収まり、高い一貫性が確認された。
• log T ≥ 5の領域で中性ヘリウム分率に2〜3倍の差が見られたが、これは再結合データに既知の不確実性が関係しているとされる。
• レート行列の線形化により計算が高速化され、大規模なシミュレーション出力のイオン化状態を迅速に計算可能となった。
• hartrateのスタンドアロン版は公開されており、クェザール吸収線研究を含む観測データへの応用でも成功裏に利用されている。
• 今後の改善では、光線厚い雲に対する自己遮蔽および周波数依存の放射移動を導入する予定であり、更新版はオンラインで公開される予定である。