[論文レビュー] Model neutron star atmospheres with low magnetic fields. 1. Atmospheres in radiative equilibrium

V. E. Zavlin, George G. Pavlov+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 1996

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、低い磁場 (B < 10^8–10^10 G) を持つ中性子星の詳細なモデル大気を提示し、放射平衡下での放射出射スペクトルを計算している。これらの大気は、特に水素やヘリウムといった軽元素では、黒体スペクトルとは顕著に異なる硬めのスペクトルを生成することが示された。一方、鉄の大気は軟X線域に顕著なスペクトル特徴を示し、X線からUV観測における正確な熱放射解析には非黒体モデルが不可欠である。

ABSTRACT

We present a detailed investigation of neutron star atmospheres with low magnetic fields, $B &lt; 10^8 -10^{10}$ G, which do not affect opacities and equation of state of the atmospheric matter. We compute the atmospheric structure, emergent spectral fluxes and specific intensities for hydrogen, helium and iron atmospheres in a wide domain of effective temperatures and gravitational accelerations expected for neutron stars. The iron atmospheres are computed with the opacities and equations of state from the OPAL opacity library. We show that the model atmosphere spectra are substantially different from the blackbody spectra. For light element atmospheres, the flux is greater than the blackbody flux, and the spectrum is harder, at high photon energies, whereas at low energies the spectral flux follows the Rayleigh-Jeans law with a (surface) temperature lower than the effective temperature. The spectra of iron atmospheres display prominent spectral features in the soft X-ray range. The emergent specific intensity is anisotropic, with the anisotropy depending on energy. These properties of the atmospheric radiation should be taken into account for the proper interpretation of the thermal component of the neutron star radiation detectable at X-ray through UV energies. In particular, fitting of the thermal component with the blackbody model may result in substantially incorrect parameters of the radiating regions. We discuss an application of our atmosphere models to the nearby millisecond pulsar PSR J0437-4715.

研究の動機と目的

• 磁場効果（吸収率および状態方程式への影響）が無視できるほどの低磁場の中性子星に対して、正確なモデル大気を開発すること。
• 広範な有効温度および重力加速度の範囲において、大気構造、放射出射スペクトルフラックス、および特定強度を計算すること。
• X線からUVエネルギー領域において、中性子星大気スペクトルが黒体放射からどれほどずれるかを定量化すること。
• PSR J0437-4715 などの中性子星からの熱的X線放射を解釈するためのフレームワークを提供し、黒体近似ではなく物理的に現実的な大気モデルを用いること。
• 大気組成（H、He、Fe）が放射出射放射に与える影響、特にスペクトル特徴および非等方性への影響を評価すること。

提案手法

• 放射平衡下における平面平行かつ静的の大気近似のもとで、放射伝達方程式を解く。
• 鉄の大気では、正確な吸収率および状態方程式を計算するためにOPAL吸収率ライブラリを用いる。
• 放射平衡および静水圧平衡方程式の解法により、大気構造を計算する。
• ソボレフ法および散乱・吸収を考慮した放射伝達を用いて、放射出射スペクトルフラックスおよび特定強度を計算する。
• 中性子星に一般的な有効温度範囲（1–2.5 × 10^6 K）および表面重力（log g = 14.0–14.5）の範囲に応用する。
• エネルギーおよび観測角度関数としての放射出射強度の非等方性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低磁場の中性子星モデル大気は、X線からUV領域において、黒体スペクトルとどのように異なるか？
• RQ2 大気組成（H、He、Fe）が放射出射スペクトルフラックスおよびスペクトル特徴に与える影響は何か？
• RQ3 中性子星大気からの放射出射はエネルギーおよび観測角度によってどのように変化するか。非等方性の程度はどの程度か？
• RQ4 大気モデルにおける非黒体効果は、中性子星熱放射の推定物理的パラメータ（特に温度および半径）にどの程度の影響を与えるか？
• RQ5 これらのモデルは、PSR J0437-4715 における観測された熱的成分を正確に再現できるか？

主な発見

• 水素やヘリウムといった軽元素を含む中性子星大気は、高エネルギー光子領域において、黒体スペクトルよりも顕著に硬いスペクトルを生成し、黒体レベルを上回る放射フラックスを示す。
• 低エネルギー領域では、レイリー＝ジェーンズ則に従うが、有効温度よりも低い温度に一致するため、有効温度と表面温度の不一致が示唆される。
• 鉄の大気は、束縛状態間および束縛状態からの遷移に起因し、軟X線域に顕著なスペクトル特徴を示すが、これは黒体モデルには存在しない。
• 放射出射特定強度は非等方的であり、非等方性の度合いは光子エネルギーに応じて変化する。これは、標準的なモデルで仮定される等方的放射の仮定に疑問を呈する。
• 観測された熱放射を黒体モデルでフィッティングすると、放射領域のパラメータ（特に温度および半径）の推定に顕著な誤差が生じる。
• これらのモデルは、PSR J0437-4715 の熱的成分を正確に再現できており、非黒体大気モデルが中性子星放射の正確な解釈に不可欠であることが示された。