Monte Carlo radiative transfer in accretion disk winds of cataclysmic variable stars [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Daniel-Jens Kusterer

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Monte Carlo RadiativeTransfer in Accretion DiskWinds of Cataclysmic VariableStarsDissertationzur Erlangung des Grades einesDoktors der Naturwissenschaftender Fakultät für Mathematik und Physikder Eberhard-Karls-Universität Tübingenvorgelegt vonDaniel-Jens Kustereraus Stuttgart2008Selbstverlegt von: D.-J. KustererHohewartstr.27A70469 StuttgartTag der mündlichen Prüfung: 16.06.2008Dekan: Prof. Dr. N. Schopohl1. Berichterstatter: Prof. Dr. K. Werner2. Ber: Prof. Dr. W. KleyErweiterte deutsche ZusammenfassungDaniel-Jens KustererMonte Carlo Strahlungstransport in Akkretionsscheibenwindenvon Kataklysmischen VariablenAkkretion ist ein weitverbreiteter Prozess im Universum, der von aktiven Gala-xienkernen (AGN) bis hin zu sehr jungen Sternen (sog. young stellar objects(YSO)) auftritt. Dennoch sind viele Aspekte dieses Prozesses und die Physikder damit zusammenhängenden Akkretionsscheiben noch nicht gut verstan-den. Ein vorzügliches Beispiel in dieser Richtung ist der sogenannte „Wind“,der von leuchtkräftigen Scheiben abströmt. Die Beobachtung zeigt sehr klareHinweise auf einen solchen Wind, jedoch sind weder der genaue Mechanis-mus, welcher diesen Wind treibt, noch die daraus resultierenden Massenver-lustraten bis jetzt vollständing verstanden und erklärbar. Ideale Objekte umdieses Phänomen genauer zu studieren sind Kataklysmische Variable Ster-ne (CV).
Publié le : mardi 1 janvier 2008
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Monte Carlo Radiative
Transfer in Accretion Disk
Winds of Cataclysmic Variable
Stars
Dissertation
zur Erlangung des Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
der Fakultät für Mathematik und Physik
der Eberhard-Karls-Universität Tübingen
vorgelegt von
Daniel-Jens Kusterer
aus Stuttgart
2008Selbstverlegt von: D.-J. Kusterer
Hohewartstr.27A
70469 Stuttgart
Tag der mündlichen Prüfung: 16.06.2008
Dekan: Prof. Dr. N. Schopohl
1. Berichterstatter: Prof. Dr. K. Werner
2. Ber: Prof. Dr. W. KleyErweiterte deutsche Zusammenfassung
Daniel-Jens Kusterer
Monte Carlo Strahlungstransport in Akkretionsscheibenwinden
von Kataklysmischen Variablen
Akkretion ist ein weitverbreiteter Prozess im Universum, der von aktiven Gala-
xienkernen (AGN) bis hin zu sehr jungen Sternen (sog. young stellar objects
(YSO)) auftritt. Dennoch sind viele Aspekte dieses Prozesses und die Physik
der damit zusammenhängenden Akkretionsscheiben noch nicht gut verstan-
den. Ein vorzügliches Beispiel in dieser Richtung ist der sogenannte „Wind“,
der von leuchtkräftigen Scheiben abströmt. Die Beobachtung zeigt sehr klare
Hinweise auf einen solchen Wind, jedoch sind weder der genaue Mechanis-
mus, welcher diesen Wind treibt, noch die daraus resultierenden Massenver-
lustraten bis jetzt vollständing verstanden und erklärbar. Ideale Objekte um
dieses Phänomen genauer zu studieren sind Kataklysmische Variable Ster-
ne (CV). Bei diesen handelt es sich um enge Doppelsterne, die aus einem
Weissen Zwerg als Primärstern und einem Roten Zwerg als Sekundärstern
bestehen, wobei Masse vom Sekundärstern auf den Primärstern überfliesst.
Verglichen mit der hohen Energieabstrahlung in AGN und der eher geringen
Abstrahlung in YSOs sind CVs auf der mittleren Energieskala anzusiedeln
und haben den klaren Vorteil der guten Beobachtbarkeit.
Im Rahmen dieser Arbeit werden erst CVs und die mit ihnen verbundenen
Phänomene, welche von der Natur dieser Objekte als akkretionsgetrieben
herrühren, eingeführt. Insbesondere sind die sog. Zwergnovae, in deren Aus-
brüchen sich die Leuchtkraft der Akkretionsscheibe dramatisch erhöht, wich-
tig. In einem solchen Ausbruch, so zeigen Beobachtungen, ist die Scheibe
in der Lage, Gas in einem Akkretionsscheibenwind von ihrer Oberfläche zu
treiben. Der Wind ist aller Wahrscheinlichkeit nach strahlungsgetrieben ver-
gleichbar dem Wind von O-Sternen. Die Signaturen, die ein solcher Wind
in den Beobachtungen hinterlässt, hauptsächlich sog. P Cygni Linienprofile,
sind im Ausbruch derart ausgeprägt, dass ein Modell, welches einen komplet-
ten CV im Ausbruch beschreiben soll, auf jeden Fall den Akkretionsscheiben-
wind beinhalten muss. In der Tübinger Sternatmosphärengruppe existieren
bereits Strahlungstransportmodelle für den Weissen Zwerg und die Akkre-
tionsscheibe. Diese werden in Zukunft durch den Strahlungstransport durch
den Wind ergänzt wie er in dieser Arbeit entwickelt wird. Für die Beschreibung
des Strahlungstransportes ist, im Gegensatz zum Strahlungstransport in der
Akkretionsscheibe für die ein eindimensionales Modell ausreicht, ein dreidi-
imensionales Modell erforderlich. Aus diesem Grund wird der Strahlungstrans-
port im Wind mit einer Monte Carlo Methode implementiert, bei der Photonen,
die ihren Ursprung in der Scheibe oder dem Weissen Zwerg haben, durch das
dreidimensionale Modell des Windes propagiert werden. Als Vergleich und
Referenz implementieren wir die schon existierenden Beschreibungen von
Shlosman & Vitello (1993) und Knigge et al. (1995) eines Scheibenwindes,
bevor wir dann unser eigenes Modell basierend auf den hydrodynamischen
Rechnungen von Feldmeier & Shlosman (1999) entwickeln. Die Ergebnisse
für diese Standardmodelle werden dann untereinander und mit Ergebnissen
für diese Modelle aus einem bereits existierenden Code verglichen. Nach die-
sem Codetest rechnen wir Modelle für real existierende Sternsysteme. Die
Zwergnovae SS Cygni und Z Camelopardalis werden ebenso betrachtet wie
das spezielle Helium-Zwergnovasystem AM Canum Venaticorum. Allerdings
werden keine intensiven Parameterstudien betrieben, daher sind nur erste
Abschätzungen für Systemparameter zu gewinnen. Für AM CVn lässt sich
9abschätzen, dass Massenverlustraten höher als 1 10 M =yr und sogar bis
9zu 5 10 M =yr möglich sind. Eine genauere Einschränkung der Inklination
über den Literaturwert hinaus ist nicht möglich. Es wird ein realistisches Ak-
kretionsscheibenmodell als Grundlage für die Photonengenerierung benutzt.
Die Kombination aus Akkretionsscheibe und Akkretionsscheibenwind ergibt
eine gute Beschreibung der Beobachtung. P Cygni Profile, z.B. N V 1240 Å,
werden von unseren Windmodellen wiedergegeben. Andererseits werden Li-
nien, die hauptsächlich in der Scheibe entstehen, wie Ly , in Windmodel-
len mit einer Schwarzkörperscheibe als Grundlage nicht wiedergegeben. In
dieser Arbeit wird ein solches Schwarzkörperscheibenmodell für Z Cam ver-
wendet. In diesem Fall werden dann nur Windlinien zur Analyse verwendet,
allerdings führen die Ergebnisse für N V und C IV zu unterschiedlichen Ergeb-
nissen für Z Cam. Daher können weder der Inklinationswinkel noch die Mas-
senverlustrate genauer eingeschränkt werden. Allerdings scheint eine Mas-
10 10senverlustrate zwischen 1 10 M =yr und 5 10 M =yr möglich, wobei
der abgeleitete Inklinationswinkel von der Massenverlustrate abhängt. Da wir
für unser drittes System, SS Cyg, nur einen sehr eingeschränkten Parame-
terraum betrachten, lässt sich lediglich sagen, dass ein Inklinationswinkel von
1032 für eine Massenverlustrate von 4:4 10 M =yr am wahrscheinlichsten
ist.
Im Rahmen von Akkretionsscheibenwinden ist es mit dieser Arbeit zum er-
sten Mal möglich, sowohl Doppler- als auch Stark-Verbreiterung in der Be-
rechnung der Linienopazitäten anzunehmen. Wir erhalten als Ergebnis, dass
die Dopplerverbreiterung, so wie sie bisher üblicherweise verwendet wurde,
zu geringe Massenverlustraten ergibt.
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