[논문 리뷰] Model atmospheres and X-ray spectra of iron-rich bursting neutron stars. II. Iron rich Comptonized Spectra

A. Majczyna, J. Madej외 2명|ArXiv.org|2004. 12. 28.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 1인용 수 29

한 줄 요약

이 논문은 수은성 복사원에서 철이 풍부한 X선 폭발 소스를 위한 평행 평면, 콤프턴 흡수 모델 대기의 격자를 제시한다. 여기에는 전체 상대론적 콤프턴 산란, 수소, 헬륨, 철 이온의 결합-자유 및 결합-결합 투과도, 그리고 수압 평형과 복사 평형이 포함되어 있다. 주요 결과는 같은 효율 온도에서 철이 풍부한 스펙트럼이 블랙바디 또는 수소-헬륨 스펙트럼보다 더 딱딱하며, 색온도 비율 Tc/Teff는 항상 1.2에서 1.85 사이에 있으며, 콤프턴 가열에 의한 온도 역전으로 인해 저에너지에서 철 라인 특징과 복사 과잉이 나타난다는 것이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 철이 풍부한 물질을 침강시키는 X선 폭발 소스를 위한 종합적인 모델 대기 격자를 개발하여 콤프턴 산란과 복잡한 투과도 기여 요소를 고려한다.
• 수소-헬륨 또는 블랙바디 모델과 비교했을 때 철 농도가 X선 스펙트럼에 미치는 영향을 조사한다.
• 철이 풍부하고 콤프턴 흡수된 대기에서 색온도가 효율 온도에서 벗어나는 정도(Tc/Te f)를 정량화한다.
• 관측된 X선 폭발 스펙트럼을 피팅하고 중성자별의 효율 온도, 반지름, M/R와 같은 파rameter를 유도하기 위한 이론적 기초를 제공한다.
• 상부 대기층에서 콤프턴 가열에 의해 유도된 온도 역전의 스펙트럼적 영향을 모델링한다.

제안 방법

• 이deal 기체의 局부 열역학 평형(LTE)을 가정하여, 수압 평형과 복사 평형 조건 하에서 평행 평면 모델 대기 방정식을 해석한다.
• 수소, 헬륨, 철 이온의 에너지 의존성 결합-자유 및 자유-자유 투과도를 포함하며, 철-보화 및 철-이십오의 10개의 결합-결합 전이를 포함한다.
• 열 운동 중 자유 전자에서의 완전한 상대론적 콤프턴 산란을 고려하며, 코프라넥 근사법을 사용한다.
• 비- LTE 복사 전달 방정식을 해결하기 위해 부분 선형화와 변수 에딩턴 인자수를 적용한다.
• 10⁷ ≤ Teff ≤ 3×10⁷ K 범위에서 log g와 철 농도를 변화시켜 대규모 모델 격자를 계산한다.
• 수치적 복합화를 통해 자연, 열, 압력 브로드닝(Griem 근사)을 이용해 선형형태를 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 철 농도는 순수한 수소-헬륨 또는 블랙바디 모델과 비교했을 때 중성자별 대기의 탈출 X선 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 철이 풍부하고 콤프턴 흡수된 대기에서 색온도 대 효율 온도 비율(Tc/Te f)의 범위는 무엇인가?
• RQ3 콤프턴 산란은 고온의 중성자별 대기에서 스펙트럼의 딱딱함과 복사 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 콤프턴 가열로 인해 상부 대기층에서 발생하는 온도 역전의 스펙트럼적 징후는 무엇인가?
• RQ5 저에너지에서의 철 선과 복사 과잉은 수소-헬륨 모델과 비교했을 때 스펙트럼의 외관을 얼마나 변화시키는가?

주요 결과

• 철이 풍부한 콤프턴 흡수 스펙트럼은 같은 효율 온도에서 블랙바디 스펙트럼보다 더 딱딱하며, 피크 복사가 고에너지 쪽으로 이동한다.
• Tc/Te f 비율은 모든 모델에서 1.2에서 1.85 사이로 제한되어 있으며, 스펙트럼의 딱딱함에 대한 이론적 한계를 확인한다.
• 철 농도가 높은 스펙트럼은 저에너지 X선 영역에서 복사 과잉을 보이며, 이는 순수한 수소-헬륨 모델에는 없고 콤프턴 가열과 온도 역전과 관련이 있다.
• 최강의 철 선(헬륨 유사 및 수소 유사)은 상부 대기층의 온도 역전으로 인해 핵심에서 역방향 복사가 나타난다.
• 수소-헬륨 모델과 비교했을 때, 철이 풍부한 스펙트럼은 같은 Teff에서 더 높은 색온도 Tc를 보이며, 특히 에딩턴 한계 근처에서 두드러진다.
• 모델 격자는 Tc/Te f ≈ 2가 가능한 최대임을 확인하며, Kuulkers 등(2002)의 관측적 주장과 일치한다.