[論文レビュー] User Manual for DUSTY

Željko Ivezić, Maia Nenkova+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 1999

Atmospheric aerosols and clouds被引用数 150

ひとこと要約

DUSTY は、散乱、吸収、放射を含む放射エネルギー密度方程式の正確な数値積分を用いて、球対称または平面のほこりを含む環境におけるほこりの温度および放射場を解く放射輸送コードである。ユーザーが指定可能なほこりの性質、密度分布、任意の外部放射場をサポートし、AGB星やほこりを含む銀河などの天体物理学的文脈において、スペクトルエネルギー分布や画像特性を高精度かつ柔軟にモデル化できる。

ABSTRACT

DUSTY solves the problem of radiation transport in a dusty environment. The code can handle both spherical and planar geometries. The user specifies the properties of the radiation source and dusty region, and the code calculates the dust temperature distribution and the radiation field in it. The solution method is based on a self-consistent equation for the radiative energy density, including dust scattering, absorption and emission, and does not introduce any approximations. The solution is exact to within the specified numerical accuracy. DUSTY has built in optical properties for the most common types of astronomical dust and comes with a library for many other grains. It supports various analytical forms for the density distribution, and can perform a full dynamical calculation for radiatively driven winds around AGB stars. The spectral energy distribution of the source can be specified analytically as either Planckian or broken power-law. In addition, arbitrary dust optical properties, density distributions and external radiation can be entered in user supplied files. Furthermore, the wavelength grid can be modified to accommodate spectral features. A single DUSTY run can process an unlimited number of models, with each input set producing a run of optical depths, as specified. The user controls the detail level of the output, which can include both spectral and imaging properties as well as other quantities of interest.

研究の動機と目的

• ほこりを含む天体物理学的環境における放射輸送を、堅牢で正確かつユーザーが制御可能なツールとして提供すること。
• 球対称および平面幾何におけるほこりの温度分布およびスペクトルエネルギー分布（SED）の詳細なモデル化を可能にすること。
• 任意のほこりの光学的性質、密度プロファイル、外部放射場を含む広範な物理的入力をサポートすること。
• スペクトル、画像、可視度出力などの出力詳細および数値分解能をユーザーがカスタマイズできること。
• AGB星の放射駆動風や、狭いスペクトル特徴を示す源のような複雑な系のモデル化を容易にすること。

提案手法

• コードは、ほこりの吸収、散乱、放射を近似なしに考慮した、スペクトルエネルギー密度の自己整合的積分方程式を解く。
• 放射輸送問題のスケーリング性を利用し、独立した入力パラメータを最小限に抑え、各空間点で放射平衡を保証する。
• 球対称幾何では、径方向光学厚さに関する数値積分により解を計算し、ユーザーが定義したパラメータで制御される適応的グリッド分解能を用いる。
• 波長グリッドはユーザーが変更可能であり、狭いスペクトル特徴を解像するための細分化が可能で、光学的性質は同じグリッド上に定義される。
• コードは、解析的および表形式のほこりの性質、密度分布、外部放射場（プランク関数および破綻したパワーロー法源を含む）をサポートする。
• ユーザーは、空間およびスペクトルグリッドサイズなどの内部配列を、別途用意されたパラメータファイル userpar.inc を介して制御でき、変更後は再コンパイルが必要である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DUSTY は、任意のほこりの性質を持つ球対称のほこりを含む環境において、ほこりの温度構造および出射SEDをどの程度正確にモデル化できるか？
• RQ2 DUSTY は、高光学厚さ系（τ_V > 100）および複雑な密度プロファイルを扱う場合に、性能および数値的正確性をどのように果たすか？
• RQ3 DUSTY は、組み込みの動的計算モジュールを用いて、AGB星の放射駆動風をどの程度正確にモデル化できるか？
• RQ4 コードはスペクトル特徴をどのように処理し、狭い発光または吸収特徴を正確にモデル化するにはどの程度の分解能が必要か？
• RQ5 DUSTY の計算スケーリング特性は、異なるハードウェアプラットフォーム上でどのように変化するか？また、ユーザーはメモリ使用量を最適化するにはどうすればよいか？

主な発見

• DUSTY は、指定された数値精度内での放射輸送問題の正確な解を生成する。Convex Exemplar マシン上では、τ_V ~ 10 の場合1分未塔、τ_V ~ 1000 の場合30分程度の実行時間である。
• 平面幾何では、球対称幾何に比べて通常5倍速く、実行時間は空間グリッドサイズの二乗に比例して増加する。
• 300 MHz Pentium PC 上では、デフォルトモデルが2分未塔で完了するが、Linux および SPARC システムでは、一部の構成で最大10倍遅くなる場合がある。
• ユーザー定義可能な光学的性質および波長グリッドをサポートしており、グリッドと材料性質の両方が同じ分解能に定義されれば、狭いスペクトル特徴の高分解能モデル化が可能である。
• userpar.inc を通じたユーザー制御パラメータの導入により、空間およびスペクトル分解能のチューニングが可能であり、メモリ使用量は径方向グリッド点数（npY）の二乗に比例して増加する。
• スラブ幾何では、右向きおよび左向きの半フラックス成分を別々に扱い、フラックス保存を正しく強制する。ネットフラックスは外部源に正規化されている。