Synthetische Spektren und Vertikalschichtungen von Akkretionscheiben

Abstract

Akkretionsscheiben beobachtet man in so unterschiedlichen Objekten wie protoplanetaren Systemen, Kernen aktiver Galaxien, kataklysmischen Variablen oder Röntgendoppelsternen. Sie generieren hierbei mitunter einen Großteil der Leuchtkraft des Gesamtsystems, weshalb eine realistische physikalische Beschreibung der Akkretionsscheibe zunehmend an Bedeutung gewinnt, um die immer besser werdenden Beobachtungsdaten analysieren zu können. Ziel dieser Arbeit ist es, ein Modell zu entwickeln, das die Berechnung synthetischer Spektren und Vertikalstrukturen von Akkretionsscheiben unter möglichst exakter Berücksichtigung der in der Akkretionsscheibe ablaufenden physikalischen Prozesse erlaubt.

Eine detaillierte strahlungshydrodynamische Behandlung der Akkretionsscheibe in allen drei Raumrichtungen gelingt auf Grund des numerischen Aufwandes derzeit allerdings noch nicht. Im Falle einer geometrisch dünnen alpha-Scheibe (Shakura & Sunyaev 1973), bei der die Scheibendicke sehr viel kleiner ist als der -durchmesser, lassen sich jedoch Radial- und Vertikalstruktur entkoppeln. Unter der Annahme von Axialsymmetrie und durch die Unterteilung der Scheibe in konzentrische Ringe vereinfacht sich so die Bestimmung der Vertikalstruktur deutlich. Die in jedem Scheibenring dissipativ erzeugte Energie wird abgestrahlt, der Energiefluss kann als Effektivtemperatur ausgedrückt werden.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Programmpaket AcDc (Accretion Disc code), bestehend aus den Programmen AcDc-LTE, AcDc-NLTE und AcDc-MakeDisk, zur detaillierten Berechnung der Vertikalstruktur und des Spektrums einer Akkretionsscheibe entwickelt. Die Gleichungen des radiativen und hydrostatischen Gleichgewichts sowie die Ratengleichungen für die Besetzungszahlen der atomaren Niveaus werden hierbei konsistent mit der Strahlungstransportgleichung unter der Voraussetzung von Teilchenzahl- und Ladungserhaltung gelöst. Die Bestrahlung der Akkretionsscheibe durch das Zentralobjekt kann berücksichtigt werden. Anschließend werden die Spektren der einzelnen Scheibenringe mit AcDc-MakeDisk zu einem kompletten Scheibenspektrum für verschiedene Inklinationswinkel aufintegriert und die Spektrallinien entsprechend der Radialkomponente der Keplerrotation dopplerverbreitert.

Eines der mit Hilfe des entwickelten Programmpakets untersuchten Objekte ist AMCVn, der Prototyp einer Klasse von Doppelsternsystemen mit zwei wechselwirkenden Weißen Zwergen und einer nahezu nur aus Helium bestehenden Akkretionsscheibe um den Primärstern. Es wird gezeigt, dass sich die radiale Ausdehnung der Akkretionsscheibe deutlich auf das Spektrum auswirkt. Ein größerer Außenradius führt auf Grund der größeren und zugleich kühleren strahlenden Fläche zu einer Zunahme der Stärke von Spektrallinien des neutralen Heliums im Vergleich zu denen des ionisierten Heliums. Auch die Inklination hat großen Einfluss auf das Spektrum. Je größer der Inklinationswinkel ist, also je flacher der Blick auf die Scheibe, desto stärker werden die Spektrallinien auf Grund der größer werdenden Radialkomponente der Keplergeschwindigkeit rotationsverbreitert. Eine Änderung der Reynoldszahl, die die Viskosität parametrisiert, um zwanzig Prozent hat keine erkennbaren Auswirkungen auf das Spektrum.

Als weiteres Objekt wird 4U1626-67 betrachtet. Hierbei handelt es sich um einen ultrakompakten Röntgendoppelstern, bestehend aus einem Weißen Zwerg und einem Neutronenstern, dessen Akkretionsscheibe keine Anzeichen von Wasserstoff oder Helium zeigt, sondern aus Metallen besteht. Die vorgestellten Modelle sind hierbei die ersten detaillierten Rechnungen, die für derartige wasserstoff- und heliumarme Scheiben gemacht worden sind. Untersucht wird insbesondere der Einfluss der Einstrahlung vom Zentralobjekt auf die Vertikalstruktur und das Spektrum der Akkretionsscheibe. Es zeigt sich, dass Einstrahlung zu einer deutlichen Temperaturerhöhung in den äußeren Schichten führt, außerdem schlagen zahlreiche Absorptions- in Emissionslinien um. Aus dem Vergleich eines HST UV-Spektrums mit Modellspektren ergibt sich, dass nur ein Modell mit Einstrahlung das beobachtete Spektrum, insbesondere die Emissionslinien von O V und C IV, wiedergeben kann.

Accretion disks are components of objects as diverse as protoplanetary systems, active galactic nuclei, cataclysmic variables or X-ray binaries. Often, a high fraction of the luminosity of these systems is generated by the accetion disk itself. To understand these objects and interpret the observational data of increasingly high quality a realistic physical model of the accretion disk is therefore necessary. The aim of this thesis is the development of a model for the calculation of synthetic spectra and vertical structures of accretion disks. The physical processes in the disk should be considered as accurate as possible.

A full three-dimensional detailed radiation hydrodynamic treatment is presently still impossible due the enormous numerical costs. In the case of a geometrically thin alpha-disk (Shakura & Sunyaev 1973), where the disk thickness is smaller than the disk diameter, the radial and vertical structures can be decoupled. Under the assumption of axial symmetry and by deviding the disk into concentric rings the determination of the vertical structure becomes a one-dimensional problem. The dissipated energy in each disk ring is radiated away at the disk surface, the energy flux can be expressed as effective temperature.

In the context of this work the program package AcDc (Accretion Disc code), consisting of the programs AcDc-LTE, AcDc-NLTE and AcDc-MakeDisk, has been developed for the detailed calculation of the vertical structures and the spectra of accretion disks. The equations of radiative and hydrostatic equilibrium as well as the rate equations for the population numbers of the atomic levels are solved consistently with the radiation transfer equation under the constraint of particle number and charge conservation. Irradiation of the accretion disk by the central object can also be considered. Subsequently, AcDc-MakeDisk integrates the spectra of the individual disk rings to a complete disk spectrum for different inclination angles, and the spectral lines are Doppler broadened according to the radial component of the Kepler rotation.

One of the objects examined with the developed program package is AMCVn, the prototype of a class of binary systems with two interacting White Dwarfs and an accretion disk, almost entirely composed of helium, around the primary star. It could be shown that the radial extension of the accretion disk strongly affects the spectrum. Due to the larger and at the same time cooler radiating surface, a larger outer radius leads to an increase of the spectral line strengths of neutral helium compared to those of ionized helium. The inclination also has a considerable influence on the spectrum. The larger the inclination angle, the stronger the spectral lines are broadened due to the increasing radial component of the Kepler velocity. A change of the Reynolds number, which parameterizes the viscosity, by 20 per cent does not have a significant effect on the spectrum.

Another object analyzed is 4U1626-67, an ultracompact X-ray binary, consisting of a white dwarf and a neutron star. Its accretion disk does not show signs of hydrogen or helium, but consists of metals. The models shown here represent the very first detailed calculations of hydrogen and helium deficient accretion disks performed so far. In particular, the influence of the irradiation of the central object on the vertical structure and the spectrum of the accretion disk is examined. Irradiation leads to a strong rise in temperature in the outermost layers. Additionally, numerous absorption lines turn into emission. From comparison of a HST UV spectrum with model spectra it follows that only a model with irradiation can reproduce the observed spectrum, in particular the emission lines of O V and C IV.