[论文解读] 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 29

一句话总结

本文为富含铁的X射线爆发源构建了一组平面平行、康普顿化模型大气，包含完全相对论性的康普顿散射、H、He和Fe离子的束缚-自由及束缚-束缚光学厚度，以及流体静力平衡与辐射平衡。主要结果表明，与相同有效温度下的黑体谱或H-He谱相比，富含铁的谱更硬，色温比Tc/Teff始终介于1.2至1.85之间，并因康普顿加热引起的温度反转而在低能段表现出明显的铁线特征和通量过剩。

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.

研究动机与目标

• 为富含铁吸积的X射线爆发源开发一套全面的模型大气网格，考虑康普顿散射和复杂光学厚度源。
• 研究铁丰度如何改变X射线谱，与纯H-He或黑体模型相比。
• 量化富含铁、康普顿化大气中色温与有效温度的偏离程度（Tc/Te f）。
• 为拟合观测到的X射线爆发谱并推导中子星参数（如Teff、半径和M/R）提供理论基础。
• 模拟由于康普顿加热在上层大气层引起的温度反转所导致的光谱效应。

提出的方法

• 在流体静力平衡与辐射平衡条件下求解平面平行模型大气方程，假设理想气体处于局部热动平衡（LTE）。
• 包含H、He和Fe离子的能量依赖性束缚-自由及自由-自由光学厚度，以及Fe vii和Fe xxv的10条束缚-束缚跃迁。
• 采用Kompaneck近似，完整引入热运动自由电子的相对论性康普顿散射。
• 应用部分线性化和可变Eddington因子求解非LTE辐射转移方程。
• 在10⁷ ≤ Teff ≤ 3×10⁷ K范围内计算大规模模型网格，变化log g和Fe丰度。
• 通过数值卷积方法计算线轮廓，采用Griem近似考虑自然加宽、热加宽和压力加宽。

实验结果

研究问题

• RQ1 与纯H-He或黑体模型相比，铁丰度如何影响中子星大气的出射X射线谱？
• RQ2 在富含铁、康普顿化的大气中，色温与有效温度之比（Tc/Te f）的范围是多少？
• RQ3 康普顿散射如何影响高温中子星大气中的谱硬化与通量分布？
• RQ4 由于康普顿加热导致上层大气中温度反转，其光谱特征是什么？
• RQ5 与H-He模型相比，铁线和低能段的通量过剩在多大程度上改变了光谱外观？

主要发现

• 富含铁的康普顿化谱在相同有效温度下比黑体谱更硬，峰值通量向更高能量移动。
• 所有模型中Tc/Te f的比值均被限制在1.2至1.85之间，证实了谱硬化理论极限的存在。
• 富含铁的谱在低X射线能量段表现出通量过剩，这一特征在纯H-He模型中不存在，且与康普顿加热和温度反转有关。
• 最强的铁线（类He和类H）在核心区域表现出反向发射，这是由于上层大气层中温度反转所致。
• 与H-He模型相比，富含铁的谱在相同Teff下表现出更高的色温Tc，尤其在爱丁顿极限附近更为显著。
• 该模型网格证实Tc/Te f ≈ 2为最大可能值，支持Kuulkers等人（2002年）的观测结论。