Monte-Carlo-Simulation von Zyklotronlinien in starken Magnetfeldern - Theorie und Anwendung

Cyclotron resonance scattering features (CRSFs), or cyclotron lines, are observed as quasi-harmonically spaced absorption lines in the spectra of some accreting X-ray binaries. They exhibit the fundamental micro-physics in strong magnetic fields. Ironically, cyclotron lines can only be observed from a macro-physical point of view, that is, by astronomical observations. Neutron star binary systems provide us with the laboratories necessary to study the behavior of matter in the vicinity of fields of a strength close to the critical magnetic field strength, B_crit = 44.14 * 10^12 G, the realm of which is far from being approached by earth based experiments. The interaction of X-ray photons with quantized plasma electrons in terms of resonant cyclotron scattering in such systems is studied in this thesis from a theoretical point of view. The complex scattering cross sections are discussed as well as the numerical methods required to develop a Monte Carlo model for the generation of synthetic cyclotron lines. The development of such a model represents the core of this work. Its application to measured spectra of accreting X-ray binaries and the combination with state of the art models for relativistic light bending and radiative processes in the accretion columns of such sources constitute the outcome of this thesis. These results allow for drawing conclusions about the characteristics of the line forming region, such as its magnetic field strength, temperature, velocity, optical depth, and geometry, among others, on firm physical ground.Zyklotronlinien (cyclotron resonance scattering features, CRSFs) werden als beinahe äquidistante Absorptionslinien in den Spektren einiger akkretierender Röntgendoppelsterne beobachtet. Sie enthüllen die fundamentale Mikrophysik in starken Magnetfeldern, lassen sich aber ironischerweise nur in makrophysikalischen, nämlich astronomischen, Systemen beobachten. Doppelsternsysteme mit einem Neutronenstern dienen uns als die zur Erforschung des Verhaltens von Materie in Magnetfeldern nahe der kritischen Magnetfeldstärke, B_crit = 44.14 * 10^12 G, notwendigen Laboratorien fernab der Magnetfelder die in erdgebundenen Experimenten erreicht werden können. In dieser Arbeit wird die Wechselwirkung von Photonen im Röntgenbereich mit quantisierten Plasmaelektronen durch resonante Zyklotronstreuungsprozesse vom theoretischen Standpunkt aus untersucht. Die Röntgendoppelsterne, die Zyklotronlinien formen, bestehen aus einem Neutronenstern der, auf verschiedene Arten abhängig von der jeweiligen Konfiguration des Doppelsternsystems, Materie von einem optischen Begleiter akkretiert. So kann im Falle eines Begleitsterns, der seine Roche-Grenze überschreitet, Materie über den Lagrange-Punkt L_1 vom Begleiter zum Neutronenstern übertragen werden. Ein anderes mögliches Szenario ist die Windakkretion bei der über den stellaren Wind des Begleitsterns abgegebene Masse durch das Gravitationspotential des Neutronensterns - meist über eine zwischengeschaltete Akkretionsscheibe - eingesammelt wird. Be-Akkretion findet im Perihel der exzentrischen Umlaufbahn eines Neutronensterns um einen massiven OB-Stern statt. Die akkretierte Materie wird vom Magnetfeld des Neutronensterns zu Akkretionssäulen kanalisiert, welche an den Polen auf der Neutronensternoberfläche enden. Das starke in diesen Akkretionssäulen vorherrschende Magnetfeld führt zu einer Quantisierung der Elektronenimpulse des akkretierenden Plasmas senkrecht zur Magnetfeldachse. Gleichzeitig werden durch Schwarzkörper-, Synchrotron- und Bremsstrahlung in der Säule beziehungsweise auf der Neutronensternoberfläche Photonen erzeugt, welche mit den akkretierenden quantisierten Elektronen wechselwirken. Der dominierende Wechselwirkungsprozess unter den gegebenen Voraussetzungen ist die Zyklotronstreuung. Aufgrund der Quantisierung der Elektronenimpulse weist diese Form der Wechselwirkung ein hochgradig resonantes Verhalten auf: Photonen, die mit der richtigen Energie und unter dem richtigen Winkel auf ein Elektron treffen, um dieses in ein höheres Energieniveau anzuregen, werden mit sehr großer Wahrscheinlichkeit wechselwirken, wohingegen Photonen, welche die Resonanzbedingung nicht erfüllen, beinahe ungehindert entkommen. Der Anregung eines Elektrons in einen höherenergetischen Zustand folgt eine sukzessiven Abregung desselben bis der Grundzustand wieder erreicht ist. Die Energiebilanz wird in Form neu erzeugter Photonen ausgeglichen. Die Streuwinkel und die Winkel, unter denen neu erzeugte Photonen emittiert werden, ergeben sich, in Abhängigkeit einer Vielzahl von Parametern, jeweils aus den komplexen differenziellen Wechselwirkungsquerschnitten beziehungsweise Zerfallsraten und machen eine korrekte analytische Berechnung der aus der Akkretionssäule entkommenden Strahlung unmöglich. Die Vielfalt an möglichen geometrischen Formen der Säule erschwert außerdem analytische Abschätzungen. Um die stark winkel- und energieabhängigen Profile der Zyklotronlinien physikalisch selbstkonsistent zu modellieren, bedarf es daher eines Monte-Carlo-Codes, der die physikalischen Prozesse der Interaktion quantisierter Elektronen mit Photonen für ein gegebenes Set von Parametern simuliert. Die komplexen Wirkungsquerschnitte und die numerischen Methoden, die den Weg zu einem Monte-Carlo-Modell zur Erzeugung synthetischer Zyklotronlinien ebnen, werden erläutert. Die Entwicklung eines solchen Modells stellt den Kern dieser Arbeit dar. Seine Anwendung auf gemessene Spektren beispielhafter akkretierender Röntgendoppelsterne und die Kombination mit Modellen zur relativistischen Krümmung von Licht und Strahlungsprozessen in den Akkretionssäulen dieser Quellen stellen weitere Resultate dieser Dissertation dar. Dies ermöglicht es, auf Basis physikalischer Prinzipien Rückschlüsse auf die Charakteristika der Linien formenden Region, wie die darin vorherrschende Magnetfeldstärke, Temperatur, Geschwindigkeit, optische Tiefe und ihre Geometrie, zu ziehen