Simulationen kosmischer Röntgenquellen

Abstract

Der erste von zwei Teilen dieser Arbeit behandelt die Simulation des Strahlungstransportes in der Akkretionssäule eines Röntgenpulsars. Hierzu wurde ein detailliertes Modell erstellt, das eine realistische Geometrie des Systems in der Schwarzschildmetrik beschreibt; zur Berechnung der Photonenbahnen werden allgemeinrelativistische Effekte wie gravitative Lichtablenkung und Rotverschiebung berücksichtigt. Es wird ein magnetisierter Thomsonstreuquerschnitt verwendet.

Viele der Berechnungen wurden im Rahmen des Internetprojektes XPulsar@home durchgeführt: Der Simulationscode wurde nach Java portiert und als Applet bzw. Applikation auf einer Webseite freiwilligen Teilnehmern verfügbar gemacht. Diese konnten das Programm herunterladen und auf ihren PCs Rechenzeit zur Verfügung stellen.

Im Rahmen dieser Arbeit sind wichtige Erkenntnisse über Strahlungscharakteristiken und Spektren von leuchtschwachen Röntgenpulsaren gemacht oder bestätigt worden. Insbesondere ergibt sich eine starke Abhängigkeit der Emission vom Verhältnis von Neutronensternradius zu seiner Masse. Auch wird die Pulsphasenabhängigkeit der Zyklotronlinien erklärt.

Der zweite Teil der Arbeit ist kosmischen Gammastrahlenausbrüchen gewidmet. In ihm wurde versucht zu klären, unter welchen Umständen Eisen-K-alpha-Linien im Spektrum zu erwarten sind. Eine solche Modellierung muß aufgrund der wenigen bekannten Eigenschaften solcher Vorgängersysteme sehr spekulativ sein; hier ging es jedoch nur darum zu zeigen, daß unter plausiblen Annahmen eine detektierbare Emission möglich ist, die zudem die richtige Zeitabhängigkeit hat. Als weiteres Ergebnis wurde gefunden, daß bei den beobachteten Daten praktisch auszuschließen ist, daß sich das reprozessierende Material mit einem hohen Abdeckungsfaktor in der direkten Sichtlinie zum Beobachter befindet.

The first of the two parts of this thesis treats the simulation of the radiative transfer in the accretion column of an X-ray pulsar. A detailed model was created, which describes a realistic geometry of the system in the Schwarzschild metric; general relativistic effects like gravitational light deflection and redshift are included in the computation of the photon trajectories. A magnetic Thomson cross section was used for the interaction of photons and plasma.

Many models were computed within the distributed computing project XPulsar@home: The code of the simulation was translated to a Java applet or application, and put on a web page where volunteer participants were able to access it. These participants could download the program and make the spare computing time on their PCs available for the project.

Important insights about the beam patterns and spectra of low luminosity X-ray pulsars have been found or confirmed within this work. Especially a strong dependence of the emission on the ratio of the radius of the neutron star and its mass was found. Furthermore, the dependence of the central energy of the cyclotron resonance scattering feature on the pulse phase was explained.

The second part is dedicated to cosmic gamma ray bursts. Here, it was tried to determine under which cirumstances iron K-alpha lines are expected in the spectrum. Because only very few properties of the progenitor systems are known, such an attempt must be rather speculative; however, our goal was only to show that within reasonable assumptions, detectable line emission with the right time dependence can be produced. As a further result, we found that with the observational data it can practically excluded that the line of sight passes through the reprocessing material with a large covering fraction.