Polarized Radiative Transfer in Inhomogeneous Stellar Atmospheres

Mgr. Adam Tichý, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

V současné době představuje multi-dimenzionální přenos záření nezbytný nástroj k~modelování mnoha NLTE čar formovaných v oblastech atmosfér, charakteristických geometrickými či fyzikálními asymetriemi. Fyzikální asymetrie mohou představovat například MHD efekty v podobě nehomogenit v termodynamické struktuře či magnetizmu plasmatu, nehomogenity způsobené konvektivními pohyby, dynamikou šokových vln či hvězdných větrů, atd. V předložené práci se zabýváme studiem formování a přenosu intenzity a polarizace záření v rezonanční čáře ve 3D modelech hvězdných atmosfér, charakteristických horizontálními nehomogenitami v kinetické teplotě a atomové hustotě plasmatu. Pro tyto účely hledáme řešení problému NLTE přenosu záření pomocí programu PORTA od \citet{porta}, přičemž bereme v úvahu rezonanční rozptylovou polarizaci a vlivy magnetických polí skrze Hanleho jev. Ukazujeme, že horizontální nehomogenity v termodynamické struktuře hvězdných atmosfér mohou výrazně ovlivnit intenzitu a polarizaci vystupujícího záření ve spektrální čáře, a také proměnnost okrajového ztemnění. Týká se to jak prostorově rozlišeného, tak prostorově průměrovaného případu. Jestliže se interpretace spektra odvíjí od modelů v planparalelní geometrii, je možné dopustit se chybného určení termodynamické struktury pozorované atmosféry; 3D simulace ukazují, že horizontální nehomogenity mohou ovlivnit vystupující záření podobně, jako některá řešení planparalelních modelů se specifickým teplotním rozvrstvením. Dvojznačnost interpretace pozorování tedy klade pochybnosti na vhodnost planparalelních aproximací, které by měly sloužit jakožto průměrné přiblížení nehomogenních, realistických hvězdných atmosfér. Podobně polarizace produkovaná rozptylovými procesy za přítomnosti horizontálních nehomogenit může být chybně interpretována jako důsledek přítomnosti magnetického pole skrze Hanleho jev. Znalost magnetizmu a termodynamické struktury atmosféry je nezbytná pro správnou interpretaci pozorovaného hvězdného spektra; multidimenzionální přenos záření a polarizace záření tak poskytují nástroj nezbytný pro lepší porozumění specifických jevů typicky pozorovaných na Slunci, s možností využití i pro hvězdná pozorování.

Abstract:

Nowadays, multi-dimensional radiative transfer provides a necessary tool to simulate many NLTE lines, which are formed at atmospheric regions characterized by geometrical or physical asymmetries. Physical asymmetries may represent, for instance, an MHD driven inhomogeneities in plasma thermodynamic structure and its magnetism, inhomogeneities caused by convective-driven motions, dynamics via various shock-waves or stellar winds, etc. In the presented thesis we study the problem of the generation and transfer of resonant spectral line intensity and polarization in 3D models of stellar atmospheres, characterized by horizontal inhomogeneities in plasma kinetic temperature and atomic volume density. For that purpose we solve the NLTE radiative transfer problem using PORTA code by \citet{porta}, taking into account resonant scattering polarization and its modification by magnetic fields via the Hanle effect. We show that horizontal fluctuations of the thermodynamical structure of stellar atmospheres can have a significant impact on the intensity and linear polarization of the emergent spectral line radiation, as well as its center-to-limb variation. It applies in both spatially resolved and spatially averaged cases. If an interpretation of a stellar spectra is based upon models in plane-parallel geometries, it is possible to erroneously deduce the thermodynamic structure of the observed atmosphere; 3D simulations show that horizontal inhomogeneities may influence the emergent radiation in a similar way as plane-parallel model solutions with specific thermal stratification. Ambiguity of the interpretation of observation in terms of stellar atmospheric structure thus raises a question on suitability of plane-parallel approximation, which should serve as an average representation of a generally inhomogeneous, realistic stellar atmosphere. Similarly, the polarization signal produced by scattering processes can be in the presence of horizontal inhomogeneities erroneously interpreted as being due to horizontal magnetic fields via the Hanle effect. The knowledge of atmospheric magnetism and thermodynamic structure is crucial for the proper interpretation of observed stellar spectra; multi-dimensional radiative transfer and polarization of radiation thus provides an essential tool for better understanding certain spectral phenomena typical for Solar observations, and for its possible use for stellar observations.

Keywords

radiative transfer, stellar atmospheres, NLTE, polarization, scattering, inhomogeneities, line formation, Hanle effect, přenos záření, hvězdné atmosféry, polarizace, rozptyl záření, nehomogenity, formování čar, Hanleho jev

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 2. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 11. 3. 2019
• Supervisor: doc. RNDr. Jiří Kubát, CSc.
• Reader: prof. RNDr. Petr Heinzel, DrSc., prof. Mgr. Jiří Krtička, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics (4-years) / Theoretical Physics and Astrophysics