3D NLTE radiative transfer on a Sun-like atmosphere model

Abstract

The capabilities to observe and model debris disks have substantially increased over the last few decades. The derivation of the disks properties relies, however, on the detailed knowledge of the host star’s radiation field. The drastic increase of computational resources over the last century facilitated the calculation of detailed, synthetic spectra based on three-dimensional magnetohydrodynamic models. In contrast to the computationally inexpensive, more traditional one-dimensional atmosphere models, the enhanced threedimensional models are capable of representing turbulences on different scales as well as the chromosphere in a consistent manner. Debris disks are being observed around a variety of main-sequence stars including numerous G2 type stars. The calculation and analysis of detailed synthetic spectra based on a sophisticated threedimensional Sun-like atmosphere structure may, therefore, serve as a template for the radiation fields of generic G2 type stars and, consequentially, supplies the debris disk research with valuable data which is the expressed scientific goal of this thesis. In the scope of this work, the layer-averaged mean values of the temperature, density and gas pressure in the photosphere of the models were in good agreement with a comparable one-dimensional solar atmosphere model but unsurprisingly showed significant deviations in the upper layers of their respective atmospheres. Moreover, the radiation flux of the presented three-dimensional models demonstrated notable surface variations, while their layer-averaged mean value were strictly larger than the corresponding surface flux of the one-dimensional model in all wavelengths ranges. While massive radiation flux deviation can be observed in the ultra-violet wavelength range, the relative radiation flux differences in the optical and infrared are only of the order of several percent. These results, however, do only present the instantaneous radiation field of the magnetohydrodynamic structure at one arbitrarily chosen point in time which may not necessarily be representative for the stars radiation field at different times. Nonetheless, the models demonstrates meaningful results and stress the importance of a detailed radiative treatment based on three-dimensional atmospheres for debris disk research and the stellar astrophysics in general.

Die Forschung an Trümmerscheiben konnte in dem letzten Jahrhundert substantielle Fortschritte verzeichnen, sowohl in der Beobachtung als auch der Modellierung. Detailliertes Wissen um das Strahlungsfeld des Zentralgestirns ist jedoch Voraussetzung für die genaue Bestimmung der Eigenschaften von Trümmerscheiben; die Generierung entsprechender Spektren sind das ausgesprochene Ziel dieser Doktorarbeit ist. Der massive Anstieg an verfügbarer Rechenleistung und Speichermöglichkeiten ermöglicht die detaillierte Berechnung von synthetischen Spektren, basierend auf dreidimensionalen magnetohydrodynamischen Strukturen. Im Unterschied zu den weit weniger Ressourcen lastigen, traditionellen eindimensionalen Atmosphärenmodellen können diese dreidimensionalen Modelle, unter anderem, die beobachteten Turbolenzen in der Atmosphäre und auch die Chromosphäre konsistent wieder geben. Die Existenz von Trümmerscheiben kann bei vielen Hauptreihensternen nachgewiesen werden. Dies gilt insbesondere auch für Sterne des Typs G2. Deshalb können Strahlungstransportrechnungen, die auf dreidimensionalen magnetohydrodynamischen Sonnen-ähnlichen Atmosphärenstrukturen basieren, als geeignete Vorlage für das Strahlungsfeld generischer Sterne des Typs G2 dienen. Folglich stellen diese Modelle einen großen Mehrwert für die weitere Erforschung von Trümmerscheiben dar. Die Temperatur, die Dichte und der Gasdruck unterscheiden sich in den photosphärischen Schichten im Mittel nur wenig von den Werten der eindimensionalen Model. In den höheren Atmosphärenschichten zeigen sich jedoch die zu erwartenden, signifikanten Abweichungen der genannten Größen. Der Oberflächenfluss der betrachten dreidimensionalen Struktur variiert merklich und ist im Mittel strickt größer als der Oberflächenfluss der eindimensionalen Atmosphäre. Die Abweichung ist im ultravioletten Wellenlängenbereich besonders ausgeprägt, beträgt jedoch auch im optischen und infraroten Bereich einige Prozent. Dieses Ergebnis präsentiert jedoch nur das temporäre Strahlungsfeld des magnetohydrodynamischen Modells zu einem willkürlich ausgewählten Zeitpunkt. Es ist daher nicht zu erwarten, dass dieses Ergebnis zwangsläufig repräsentativ ist für den Stern. Gleichwohl liefert das Modell ein sehr nützliches Ergebnis und betont die Relevanz des dreidimensionalen Strahlungstransports für die Trümmerscheibenforschung und andere Bereiche der Astrophysik.