Radiative transfer in the vicinity of accreting neutron stars - polarized emission in strong magnetic fields
Strahlungstransport in der Nähe von akkretierenden Neutronensternen - polarisierte Emission in starken Magnetfeldern
Creators: name: Sokolova-Lapa, Ekaterina
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2023

description: Accreting neutron stars in binary systems with a massive companion exhibit a variety of observational phenomena, such as a complex shape of the spectra and pulse profiles and a low polarization signal, which challenge theoretical modeling. In shaping the emission spectra from the magnetic poles, Compton scattering plays a crucial role. In the presence of a strong magnetic field, ~10^12 G, this process is highly anisotropic and resonant due to electron quantization. The latter leads to the formation of absorption line-like features in the spectra, which are known as cyclotron lines. The radiation in strong magnetic fields is polarized due to the presence of real and virtual charges and is typically described in terms of two polarization modes of photons. Together, these effects make modeling of the emission properties a complex task. A new generation of X-ray missions with high energy resolution put into question the statement that the continuum from these objects is well described by a power law due to the more commonly observed complexity of the spectra at intermediate energies, ~8-20 keV. Often, additional broad Gaussian-line-like components in absorption or emission (sometimes referred to as "10-keV" feature) or two-component Comptonization models are required to describe the spectra. The origin of these components is not well understood. An even bigger challenge was provided by observations of accreting neutron stars at low mass-accretion rates, where spectra of the well-known sources showed a dramatic transition to the two-hump shapes. The latest indication of our poor understanding of the details of the emission formation came from the measured degree of polarization, which is much lower than was expected. The last few decades of modeling efforts focused on the separated treatment of the line-less Comptonized continua in the accretion channel and the cyclotron lines, which often uses a phenomenological power-law spectrum as an input. In addition, the physical models for the continuum commonly adopt polarization- and angular-averaged treatment. They generally result in smooth spectra without irregularities, except for the imprinted cyclotron lines. In this work, I bring the focus onto joint simulations of the continuum and the cyclotron lines that include the effects of anisotropy and polarization. I developed a radiative transfer code that allows treating energy and angular redistribution during resonant Compton scattering and takes into account polarization effects in a strongly magnetized medium. I investigate the spectral formation and angular distribution of the emission for various parameters of the medium and various assumptions about the mechanism responsible for the polarization of the radiation field. Finally, I present a model for low-luminosity accretion, which combines radiative transfer, calculation of the temperature and density profiles in the neutron star atmosphere, and relativistic ray tracing from the rotating neutron star to obtain phase-dependent spectra and pulse profiles. The main message of this study is that polarization and redistribution effects play a crucial role in the formation of the spectra and emission profiles of accreting highly magnetized neutron stars. I show that the complexity of the continuum at intermediate energies naturally follows from the contribution of different polarization modes. Another effect altering the spectral shape is the redistribution of photons in the large proximity to the cyclotron resonance due to the presence of the hot plasma. It leads to the formation of the broad red wing of the cyclotron line at energies significantly below the line core. I argue that the often required "10-keV" feature could result from one or both of these effects. In addition, I show that the spectra are altered by the effect of vacuum polarization, in contradiction to the common assumption that for magnetic fields ~10^12 G it only affects the polarization signal. I demonstrate that this effect can introduce additional complexity in the soft and intermediate energies and result in suppression of the high-energy continua and the cyclotron lines. Aside from that, I show that emission profiles from a highly magnetized slab have complex energy-dependent shapes that rarely resemble similarity with the typically assumed pencil beam. This study emphasizes the role of the detailed radiative transfer calculation and serves as a foundation for more complex modeling, which should include the dynamic effects in the accretion channel and more careful treatment of the cyclotron line and its harmonics. For the low-luminosity model that includes relativistic ray tracing, I present a method based on fitting phase-averaged and phase-dependent spectra, which allows accessing such fundamental parameters as the strength of the magnetic field at the poles, their location, and the inclination of the observer's line of sight to the rotational axis of the neutron star. The obtained geometry can serve as an independent check of the recent results obtained by polarimetric measurements.
description: Akkretierende Neutronensterne in einem Doppelsternsystem mit einem massereichen Begleiter zeigen eine Vielzahl von beobachtbaren Phänomenen wie komplexe Emissionsspektren und Pulsprofile und eine niedrige Polarisations der beobachteten Strahlung. All das ist eine Herausforderung für theoretische Modelle. Das Emissionsspektrum wird hauptsächlich durch Compton-Streuung erzeugt. Innerhalb eines starken Magnetfelds, ~10^12 G, ist dieser Prozess stark anisotropisch und resonant durch die Quantisierung der Electronenzustände. Letzteres führt zu linienartigen Absorptionsmerkmalen im Spektrum, welche Zyklotronlinien genannt werden. Die Strahlung innerhalb des starken Magnetfelds wird durch die echten und virtuellen Ladungen polarisiert und wird typischerweise durch zwei Polarisationsmoden beschrieben. All das erschwert das modellieren der Eigenschaften der Strahlung. Die neueste Generation der Röntgenmission für hochaufgelöste Spektroskopie stellen die übliche Beschreibung der beobachteten Spektren mit einem Potenzgesetz in Frage. Aufgrund der Komplexität im Bereich mittlerer Energien, ~8-20 keV, werden häufig breite Gaussähnliche Linien in emission oder absorption (oft als "10-keV"-Feature bezeichnet), oder Comptonisationsmodelle mit zwei Komponenten verwendet. Der Ursprung dieser Komponenten ist noch nicht gut verstanden. Eine noch größere Herausforderung stellen Beobachtungen von akkretierenden Neutronensternen mit niedriger Massenakkretionsrate dar. Hier sind signifikante Veränderungen der Spektren zu einer Zwei-Höcker-Form zu beobachten. Der letzte Hinweis, dass unser Verständnis übern den Ursprung der Strahlung unzureichend ist, kam durch die Beobachtung eines sehr niedrigen Polarisationsgrades. In den letzten Jahrzehnten lag der Fokus darauf, das Compton-Kontinuum und die Zyklotronlinen getrennt voneinander zu beschreiben. Letztere verwendeten häufig phänomenologische Modelle, wie Potenzgesetze, als Grundlage. Die Kontinuumsmodelle hingegen wurden meist winkel- und polarisationsunabhänging beschrieben. Das führte zu sehr einfachen Spektren, mit Ausnahme der Zyklotronlinien. In dieser Arbeit stelle ich kombinierte Simulationen des Kontinuums und der Zyklotronlinen vor, die sowohl die Winkel- als auch die Polarisationsabhängigkeit berücksichtigen. Dafür verwende ich einen von mir entwickelten Code, um das Problem des Strahlungstransports durch Comptonstreuung zu lösen. Der Code berücksichtigt sowohl die Polarisation der Strahlung als auch deren Richtungsabhängigkeit in einem stark magnetisiertem Medium. Damit untersuche ich die Entstehung der Strahlung und die Richtungsabhängigkeit der Emission für verschiedene Parameter des Mediums und verschiedene Annahmen über das Verhalten der Polarisation. Am Ende beschreibe ich ein Modell für die Emission von Neutronensternen in einem Zustand niedriger Massenakkretion. Kombiniert mit einem relativistischen Strahlungstransportcode Code für rotierende Neutronensterne, beschreibe ich so die phasenaufgelösten Spektren und Pulsprofile. Die Kernaussage dieser Arbeit ist, dass Polarisations- und Verteilungseffekte eine wichtige Rolle bei der Entstehung der Strahlung von hoch magnetisierten Neutronensternen spielen. Ich zeige, dass die Komplexität des Kontinuums bei mittleren Energien durch den Beitrag verschiedener Polarisationsrichtungen gegeben ist. Zusätzlich zeige ich, wie sich die Form des Spektrums durch die Umverteilung der Photonenenergien nahe der Zyklotronresonanz innerhalb des heißen Mediums verhält. Das führt zu einem breiten roten Ausläufer der Zyklotronlinie bei Energien die weit unterhalb des Linienzentrums sind. Ich argumentiere, dass das "10-keV"-Feature von einem oder beiden dieser Effekt verursacht wird. Zusätzlich zeige ich, wie die Spektren durch die Vakuumpolarisation verändert werden, was im Wiederspruch zur üblichen Annahme steht, dass für Magnetfelder ~10^12 G nur das Polarisationssignal verändert wird. Ich zeige, dass dieser Effekt zusätzliche Beiträge zur Komplexität des Spektrums bei niedrigen und mittleren Energien liefert und das Kontinuum und Zyklotronlinien bei hohen Energien abschwächt. Ich zeige auch, dass die Emission einer hoch magnetisierten Scheibe sehr komplexe energieabhängige Formen erzeugt, die selten mit der Annahme eines ``fan-beams'' zu erklären sind. Diese Arbeit unterstreicht wie wichtig es ist, das Problem des Strahlungstransport im Detail zu lösen und legt die Grundlage für präzisere Berechnungen. Für das Modell für niedrige Akkretionsraten präsentiere ich einen Fitansatz um zu zeigen, dass damit grundsätzlich Systemparameter zugänglich sind, wie die Stärke des Magnetfelds, die Orientierung der Magnetpole und die Inklination des Neutronensterns zum Beobachter. Diese Ergebnisse erlauben einen unabhängigen Test der Parameter wie sie durch Polarisationsmessungen erhalten wurden.