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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-33753
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2007/3375/


General Relativistic Radiative Transfer

Allgemeinrelativistischer Strahlungstransport

Knop, Sebastian

pdf-Format:
 Dokument 1.pdf (3.203 KB) 


SWD-Schlagwörter: Strahlungstransport , Allgemeine Relativitätstheorie , Astronomie
Freie Schlagwörter (Englisch): Radiative Transfer , General Relativity , Astronomy
Basisklassifikation: 33.21 , 39.29
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Astronomie, Kartographie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Hauschildt, Peter H. (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 13.04.2007
Erstellungsjahr: 2007
Publikationsdatum: 23.07.2007
Kurzfassung auf Englisch: The modeling of the radiative transfer is important for the investigation and the understanding
of astrophysical atmospheres.
This work specializes on the atmospheres of compact objects.
The photons within these atmospheres are subject to a gravitational shift of the wavelength and propagate along
curved orbits. These relativistic effects influence directly the radiative transfer.
Hence, the theory of general relativistic radiative transfer has been used in this
work. The equation of radiation transport has been formulated in such a way, that the transfer problem can be solved
by an accelerated Lambda-iteration.

The calculations are restricted to one spatial dimension and require effectively the spacetime to be spherically
symmetric. In formal developments within the Kerr metric it has been shown, that the chosen ansatz for describing the
radiative transfer is also working in multidimensional applications. Furthermore, a formulation of radiative
transfer in flows within static background spacetimes has been developed.

The radiative transfer for a two-level atom gas has been calculated as a first application.
It has been found that
the emerging line profiles not only depend sensitively on the physical structure, but also especially on the scattering
albedo of the continuum.

Furthermore, gray continuum transfer has been calculated. Depending
on the magnitude of the scattering, the apparent observed temperature may appear significantly higher than the effective temperature
of the model atmospheres.

In order to construct a working code base for the construction of realistic atmosphere models, the general relativistic radiative transfer
has been implemented in the atmosphere modeling code PHOENIX. Since the general relativistic radiative transfer is
more computationally costly than the standard radiative transfer solvers, the implementation has been optimized for speed.
A robust and very fast solver for the formal solution of the radiative transfer has been implemented. It is a Gauss-Seidel type
iterative solver that uses improved initial guesses to minimizes the iterations needed.
Finally, the new radiative transfer framework has been tested in special relativistic NLTE calculations and has identically reproduced the results of the
standard radiative transfer.

In conclusion, this work describes the general radiative transfer equation in a form suitable for the use for an accelerated Lambda-iteration
and provides an implementation within the framework of PHOENIX, which does serve as a starting point for the construction of
realistic models of relativistic atmospheres.

Kurzfassung auf Deutsch: Die Modellierung von astrophysikalischen Atmospären mittels der Theorie des Strahlungstransports spielt eine
zentrale Rolle bei dem Verständnis und der Untersuchung derselbigen.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich speziell mit relativistischen Atmosphären kompakter Objekte.

Photonen innerhalb dieser Atmosphären erleiden eine gravitative Verschiebung ihrer Wellenlänge und bewegen
sich auf gekrümmten Bahnen. Der Strahlungstransport wird dadurch direkt beeinflusst und daher
ist in dieser Arbeit die allgemein relativistische Theorie des Strahlungstransports verwendet worden.
Die Gleichung des Strahlungstransports wurde dabei so formuliert, dass die Lösung mittels einer
"accelerated" Lambda-Iteration möglich ist.

Die Berechnungen sind auf räumlich eindimensionale Probleme beschränkt, wodurch sich die Anwendung auf sphärisch symmetrische
Metriken reduziert. Der gewählte Ansatz ist jedoch auch für mehrdimensionale Anwendungen geeignet, was
in der Herleitung der Strahlungstransportgleichung für die Kerr-Metrik gezeigt wird.
Des Weiteren wird ein Ansatz formuliert, der es erlaubt den Strahlungstransport in bewegten Medien vor dem
Hintergrund einer statischen gekrümmten Raumzeit zu beschreiben.

In einer ersten Anwendung ist der Strahlungstransport für ein Gas bestehend aus Modellatomen mit zwei
Niveaus berechnet worden.
Die resultierenden Linienspektren hängen dabei sowohl stark von der zugrundeliegenden Atmosphärenstruktur,
als auch im besonderen von der Streualbedo des Kontinuums ab.

Außerdem ist Kontinuumsstrahlungstransport für eine als grau angenommene kontinuierliche Opazität
berechnet worden. Die scheinbare Temperatur ist von der Stärke der Streuung abhängig und kann
deutlich heißer erscheinen als die effektive Temperatur der Modellatmosphäre nahelegt.

Für die Erstellung realistischer Modelle ist die Integration des Strahlungstransports in ein Modellatmosphärenprogramm
notwendig. Daher ist der allgemein relativistische Strahlungstransport in den
Atmosphären Code PHOENIX integriert worden. Um die vergleichsweise hohe Rechenzeit des relativistischen
Transports auszugleichen, ist die Implementation in Bezug auf Geschwindigkeit optimiert worden.
Dies ist in erster Linie mit der Einführung einer sowohl schnellen, als auch robusten, Gauss-Seidel basierten
iterativen Lösung gelungen.
Die Ergebnisse für speziell relativistische NLTE Berechnungen der etablierten Strahlungstransportlösung wurden mit
der neuen Lösung erfolgreich reproduziert.

Die vorliegende Arbeit beschreibt allgemein relativistischen Strahlungstransport in geeigneter Form für die
Anwendung einer "accelerated" Lambda-Iteration als formale Lösung und stellt eine
Implementation innerhalb von PHOENIX bereit, die als Startpunkt für die Konstruktion realistischer
Modelle von kompakten Objekten dient.

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