[論文レビュー] Model atmospheres and X-ray spectra of iron-rich bursting neutron stars. II. Iron rich Comptonized Spectra

A. Majczyna, J. Madej+2 more|ArXiv.org|Dec 28, 2004

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用数 29

ひとこと要約

本稿では、完全な相対論的コンプトン散乱、水素、ヘリウム、鉄イオンの束縛自由および束縛束縛の吸収率、および静水的および放射平衡を考慮した、鉄に富んだX線バースト源の平面平行でコンプトン化されたモデル大気のグリッドを提示する。主な結果として、同じ効果的温度における鉄に富んだスペクトルはブラックボディまたは水素・ヘリウムスペクトルよりも硬く、色温度比 Tc/Teff は常に 1.2 から 1.85 の間であり、コンプトン加熱による温度逆転のため、低エネルギー域に明著な鉄ライン特徴および放射率の過剰が見られる。

ABSTRACT

This paper presents the set of plane-parallel model atmosphere equations for a very hot neutron star (X-ray burst source). The model equations assume both hydrostatic and radiative equilibrium, and the equation of state of an ideal gas in local thermodynamic equilibrium (LTE). The equation of radiative transfer includes terms describing Compton scattering of photons on free electrons in fully relativistic thermal motion, for photon energies approaching m_e *c^2. Model equations take into account many bound-free and free-free energy-dependent opacities of hydrogen, helium, and the iron ions, and also a dozen bound-bound opacities for the highest ions of iron. We solve model equations by partial linearisation and the technique of variable Eddington factors. Large grid of H-He-Fe model atmospheres of X-ray burst sources has been computed for 10^7 < T_eff < 3*10^7 K, a wide range of surface gravity, and various iron abundances. We demonstrate that the spectra of X-ray bursters with iron present in the accreting matter differ significantly from pure H-He spectra (published in an earlier paper), and also from blackbody spectra. Comptonized spectra with significant iron abundance are generally closer to blackbody spectra than spectra of H-He atmospheres. The ratio of color to effective temperatures in our grid always remains in the range 1.2 < T_c/T_eff < 1.85. The present grid of model atmospheres and theoretical X-ray spectra will be used to determine the effective temperatures, radii and M/R ratios of bursting neutron stars from observational data.

研究の動機と目的

• 鉄に富んだ降着を示すX線バースト源のための包括的なモデル大気のグリッドを開発し、コンプトン散乱および複雑な吸収率源を考慮すること。
• 鉄の含有量が純粋な水素・ヘリウムまたはブラックボディモデルと比較してX線スペクトルに与える影響を調査すること。
• 鉄に富んだコンプトン化大気における色温度と効果的温度のずれ（Tc/Te f）を定量化すること。
• 観測されたX線バーストスペクトルにフィットさせ、効果的温度、半径、M/R などの中性子星パラメータを導出する理論的根拠を提供すること。
• 上層大気におけるコンプトン加熱による温度逆転のスペクトル的影響をモデル化すること。

提案手法

• 理想気体の局所熱力学平衡（LTE）を仮定し、静水的および放射平衡下での平面平行モデル大気方程式を解く。
• 水素、ヘリウム、鉄イオンのエネルギー依存性を持つ束縛自由および自由自由の吸収率に加え、鉄ボン・セブンおよび鉄・ツーエックスの10個の束縛束縛遷移を含む。
• 熱運動する自由電子における完全な相対論的コンプトン散乱を、コンパネツィの近似を用いて取り入れる。
• 非局所熱力学平衡（non-LTE）放射移動方程式を解くために部分線形化および可変Eddington因子を適用する。
• 10⁷ ≤ Teff ≤ 3×10⁷ K の範囲で、log g および鉄含有量を変化させた大規模なモデルグリッドを計算する。
• 数値的畳み込みを用いて自然幅、熱幅、圧力幅（Griemの近似）によるラインプロファイルを計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 鉄含有量は、純粋な水素・ヘリウムまたはブラックボディモデルと比較して、中性子星大気の放射スペクトルにどのように影響を与えるか？
• RQ2 鉄に富んだコンプトン化大気における色温度対効果的温度比（Tc/Te f）の範囲は何か？
• RQ3 コンプトン散乱は、高温の中性子星大気におけるスペクトルの硬さおよび放射分布にどのように影響を与えるか？
• RQ4 コンプトン加熱による上層大気における温度逆転のスペクトル的兆候は何か？
• RQ5 鉄ラインおよび低エネルギー域の放射率過剰は、水素・ヘリウムモデルと比較してスペクトルの外観にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 鉄に富んだコンプトン化スペクトルは、同じ効果的温度におけるブラックボディスペクトルよりも硬く、ピーク放射が高エネルギー側にシフトする。
• すべてのモデルにおいて比 Tc/Te f は 1.2 から 1.85 の間で有界であり、スペクトルの硬さの理論的限界を確認する。
• 鉄含有量を持つスペクトルは、純粋な水素・ヘリウムモデルに見られない低X線エネルギー域に放射率の過剰を示す。これはコンプトン加熱および温度逆転と関連している。
• 最も強い鉄ライン（ヘリウム様および水素様）のコア部では、上層大気における温度逆転のため、逆方向の放射（逆発光）が観測される。
• 水素・ヘリウムモデルと比較して、鉄に富んだスペクトルは、同じ Teff においてより高い色温度 Tc を示す。特に Eddington限界付近で顕著である。
• モデルグリッドは、Tc/Te f ≈ 2 が最大であり得ることを確認し、Kuulkers ら（2002）の観測的主張を支持する。