Monte Carlo Strahlungstransport in Akkretionsscheibenwinden von Kataklysmischen Variablen

Accretion is a very common and important process in the universe from powerful active galactic nuclei (AGN) to young stellar objects (YSO). Yet many aspects of accretion and the physics of the accretion disks involved in the process are not fully understood. A prime example is the wind'' driven off a luminous accretion disk, clear signatures of its presence are seen in observations, however neither the driving mechanism nor the resulting mass loss rates are determined in a satisfying manner. Ideal objects for a closer analysis of the accretion phenomenon are so called cataclysmic variable stars (CV). These are close binary systems formed by a white dwarf primary and a red dwarf secondary with mass flow from the Roche lobe filling secondary onto the primary. Compared to the high energies involved in AGN and the rather low energy output of YSOs, CVs are in the intermediate energy range and they also have the clear advantage of being easily observable. In this work we first introduce CVs and the phenomena observed in these systems which are connected to their nature as accretion powered objects. Especially important for our work is the so-called dwarf nova phenomenon where the accretion disk increases its brightness dramatically. In such a high state observations show that the disk is able to drive gas off in an accretion disk wind presumably by radiative driving as in winds of O stars. The observable signatures of an outflow, mostly so-called P Cygni profiles, are, in outburst situations, this prominent that a model which aims to describe the complete CV system necessarily has to include such an outflow. The Tübingen group had up till now working radiative transfer models for white dwarfs and accretion disks and these are supplemented by a radiative transfer model for an accretion disk wind developed in this work. A three-dimensional description of the wind and of the radiative transfer in the wind is necessary compared to the disk where a one-dimensional approximation can be used. Therefore a Monte Carlo radiative transfer method is implemented where photon packets from the disk and from the white dwarf are transported through a three-dimensional model of an accretion disk wind. For comparison and reference we implemented the two kinematical disk wind models of Shlosman & Vitello (1993) and of Knigge et al. (1995), before we develop our own model based on the hydrodynamical calculations of Feldmeier & Shlosman (1999). Results for standard implementations of these models are compared to each other and to the results of an already existing code. After this verification of our code we step further and calculate models for real systems. The dwarf novae SS Cygni and Z Camelopardalis as well as the special helium dwarf nova AM Canum Venaticorum are considered. No intensive parameter studies are performed, but first impressions for possible mass-loss rates and inclination angles of the systems are found. For the first time in radiative transfer codes for accretion disk wind we have the possibility to use Stark or Doppler broadening functions and we find that Doppler broadening might underestimate the mass-loss rates. For the real systems and comparisons with observations we find first constraints on mass-loss rates, but are not able to improve estimations for the inclination angles further than they are already known.Akkretion ist ein weitverbreiteter Prozess im Universum, der von aktiven Galaxienkernen bis hin zu sehr jungen Sternen (sog. young stellar objects) auftritt. Dennoch sind viele Aspekte dieses Prozesses und die Physik der damit zusammenhängenden Akkretionsscheiben noch nicht gut verstanden. Ein vorzügliches Beispiel in dieser Richtung ist der sogenannte Wind, der von leuchtkräftigen Scheiben abströmt. Die Beobachtung zeigt sehr klare Hinweise auf einen solchen Wind, jedoch sind weder der genaue Mechanismus, welcher diesen Wind treibt, noch die daraus resultierenden Massenverlustraten bis jetzt vollständig verstanden und erklärbar. Ideale Objekte um dieses Phänomen genauer zu studieren sind Kataklysmische Variable Sterne (CV). Bei diesen handelt es sich um enge Doppelsterne, die aus einem Weissen Zwerg als Primärstern und einem Roten Zwerg als Sekundärstern bestehen, wobei Masse vom Sekundärstern auf den Primärstern überfliesst. Verglichen mit der hohen Energieabstrahlung in AGN und der eher geringen Abstrahlung in YSOs sind CVs auf der mittleren Energieskala anzusiedeln und haben den klaren Vorteil der guten Beobachtbarkeit. Im Rahmen dieser Arbeit werden erst CVs und die mit ihnen verbundenen Phänomene, welche von der Natur dieser Objekte als akkretionsgetrieben herrühren, eingeführt. Insbesondere sind die sog. Zwergnovae, in deren Ausbrüchen sich die Leuchtkraft der Akkretionsscheibe dramatisch erhöht, wichtig. In einem solchen Ausbruch, so zeigen Beobachtungen, ist die Scheibe in der Lage, Gas in einem Akkretionsscheibenwind von ihrer Oberfläche zu treiben. Der Wind ist aller Wahrscheinlichkeit nach strahlungsgetrieben vergleichbar dem Wind von O-Sternen. Die Signaturen, die ein solcher Wind in den Beobachtungen hinterlässt, hauptsächlich sog. P Cygni Linienprofile, sind im Ausbruch derart ausgeprägt, dass ein Modell, welches einen kompletten CV im Ausbruch beschreiben soll, auf jeden Fall den Akkretionsscheibenwind beinhalten muss. In der Tübinger Sternatmosphärengruppe existieren bereits Strahlungstransportmodelle für den Weissen Zwerg und die Akkretionsscheibe. Diese werden in Zukunft durch den Strahlungstransport durch den Wind ergänzt wie er in dieser Arbeit entwickelt wird. Für die Beschreibung des Strahlungstransportes ist, im Gegensatz zum Strahlungstransport in der Akkretionsscheibe für die ein eindimensionales Modell ausreicht, ein dreidimensionales Modell erforderlich. Aus diesem Grund wird der Strahlungstransport im Wind mit einer Monte Carlo Methode implementiert, bei der Photonen, die ihren Ursprung in der Scheibe oder dem Weissen Zwerg haben, durch das dreidimensionale Modell des Windes propagiert werden. Als Vergleich und Referenz implementieren wir die schon existierenden Beschreibungen von Shlosman & Vitello (1993) und Knigge et al. (1995) eines Scheibenwindes, bevor wir dann unser eigenes Modell basierend auf den hydrodynamischen Rechnungen von Feldmeier & Shlosman (1999) entwickeln. Die Ergebnisse für diese Standardmodelle werden dann untereinander und mit Ergebnissen für diese Modelle aus einem bereits existierenden Code verglichen. Nach diesem Codetest rechnen wir Modelle für real existierende Sternsysteme. Die Zwergnovae SS Cygni und Z Camelopardalis werden ebenso betrachtet wie das spezielle Helium-Zwergnovasystem AM Canum Venaticorum. Allerdings werden keine intensiven Parameterstudien betrieben, daher sind nur erste Abschätzungen für Systemparameter zu gewinnen. Im Rahmen von Akkretionsscheibenwinden ist es mit dieser Arbeit zum ersten Mal möglich, sowohl Doppler- als auch Stark-Verbreiterung in der Berechnung der Linienopazitäten anzunehmen. Wir erhalten als Ergebnis, dass die Dopplerverbreiterung, so wie sie bisher üblicherweise verwendet wurde, zu geringe Massenverlustraten ergibt

Low-lying eigenmodes of the Wilson-Dirac operator and correlations with topological objects

The probability density of low-lying eigenvectors of the hermitian Wilson-Dirac operator is examined. Comparisons in position and size between eigenvectors, topological charge and action density are made. We do this for standard Monte-Carlo generated SU(3) background fields and for single instanton background fields. Both hot and cooled SU(3) background fields are considered. An instanton model is fitted to eigenmodes and topological charge density and the sizes and positions of these are compared.Comment: v3: 20 pages, 11 figures, Colour versions of Fig. 1 and Fig. 4 and additional colour figures can be obtained at http://www.physics.adelaide.edu.au/cssm/lattice Revised version contains additional discussions about the topological charge used and greatly improved readability of the plots, Corrected Fig.

Quarkeigenschaften, Topologie und Confinement im Rahmen der Gittereichtheorie

In this diploma thesis different topological objects are examined using Lattice Gauge Theory. As a first part the probability density of low-lying eigenmodes of the hermitian Wilson-Dirac operator H(kappa)= gamma_5 D_W(kappa) and its connection to topology is examined. Comparisons in position and size between eigenvectors, topological charge and action density are made. This is done for standard Monte-Carlo generated SU(3) background fields and for single instanton background fields. Both hot and cooled SU(3) background fields are considered. Sizes and positions of eigenmode and topological charge density are compared by fitting an instanton model. Visualisations of topological charge, action and eigenmode densities are provided. It is shown that not only zero modes, but all low-lying eigenmodes of the hermitian Wilson-Dirac operator are strongly correlated to topological objects for bare quark masses m_0 with 0< m_0 < 2. These objects can be instantons or topological fluctuations. For all m_0, eigenmodes of hot SU(3) configurations are seen to display strong correlations to objects, which can be identified in the topological charge density of twelve sweep cooled configurations. The objects in the eigenmode density are found to have roughly the same size as the corresponding topological object. For such configurations the twenty lowest eigenmodes are seen to have strong correlations to topological objects with only little broadening for higher eigenmodes. Eigenmodes of twelve sweep cooled configurations are found to have a different behaviour. They are strongly correlated to topological objects for small m_0 and weakly correlated with such objects for large m_0. In the second part the connection between center vortices and confinement is examined. To identify thin center vortices Monte-Carlo generated SU(3) background fields are gauge fixed to Maximal Center Gauge (MCG) by maximising the mesonic gauge condition. The background fields considered are created with a three-loop improved action. Vortices are then identified by finding the closest center element Z_mu(x) for each link U_mu(x) and calculating the center flux for each plaquette. It is shown that the vortex density in physical units is independent of the lattice spacing a. This suggests that center vortices identified by MCG gauge fixing are physical. To test the confining properties of center vortices the static quark-antiquark potential is considered for full SU(3), vortex-only and vortex removed configurations. The influence of the gauge condition on this procedure is tested by implementation of the ideal gauge condition (ICG) as a comparison. It is shown that a vortex-only theory is confining, whereas the corresponding vortex-removed theory is non-confining, i.e. the string tension vanishes. The string tension of the vortex-only theory is found to be roughly 62% of the full SU(3) string tension for MCG vortices and 58% for ICG vortices. It is suggested that the mesonic gauge condition is a good approximation to the ideal gauge condition. Ideas of how to solve the missing string tension puzzle are presented.Diese Diplomarbeit untersucht topologische Objekte im Rahmen der Gittereichtheorie.Ein besonderer Augenmerk wird dabei auf zwei Arten solcher Objekte gelegt, Instantonen im ersten Teil der Arbeit und Vortizes im zweiten Teil. Genauer gesagt beschäftigt sich der erste Teil dieser Arbeit mit der Wahrscheinlichkeitsdichte von niedrigen Eigenmoden des hermitschen Wilson-Dirac Operators H(kappa)= gamma_5 D_W (kappa) und ihrer Verbindung zur Topologie. Position und Ausdehnung der Eigenmodendichte und der topologischen Ladungsdichte sowie der Wirkungsdichte werden verglichen. Diese Vergleiche werden für SU(3) Hintergrundfelder, die mit einem Monte-Carlo Verfahren hergestellt wurden, und für Hintergrundfelder, auf die ein einzelnes Instanton gesetzt wurde, gemacht. Position und Ausdehnung der Eigenmodendichte und der topologischen Ladungsdichte werden durch das Anfitten eines Instanton Modells verglichen. Topologische Ladungsdichte, Wirkungsdichte und Eigenmodendichte werden als 3-D Schnitt durch das 4-D Raumzeitgitter visualisiert und geplottet. Es wird gezeigt, dass für nackte Quarkmassen m_0 mit 0< m_0 < 2 nicht nur Nullmoden, sondern alle niedrigen Eigenmoden des hermitschen Wilson-Dirac Operators eine starke Korrelation mit topologischen Objekten zeigen. Diese Objekte können Instantonen, oder topologische Fluktuationen sein. Es wird gezeigt, dass Eigenmoden heisser SU(3) Konfigurationen für den gesamten Bereich von m_0 starke Korrelationen mit Objekten aufweisen, die in der topologischen Ladungsdichte nach zwölf Kühlschritten eindeutig identifiziert werden können. Objekte, die in der Eigenmodendichte gefunden werden haben ungefähr die selbe Grösse wie die zugehörigen Objekte in der topologischen Ladungsdichte. Für solche heissen SU(3) Konfigurationen findet man, dass mindestens die niedrigsten zwanzig Eigenmoden starke Korrelation zur Topologie aufweisen. Dabei kann nur eine sehr schwache Aufweitung der Korrelation festgestellt werden. Bei der Betrachtung von Eigenmoden gekühlter SU(3) Konfigurationen stellt man, im Vergleich zu heissen Konfigurationen, einen Unterschied fest. Nur Eigenmoden für kleine Massen m_0 weisen die beschriebenen starken Korrelationen auf. Für Eigenmoden für grössere Massen m_0, aber m_0<2, werden diese Korrelation zur Topologie sehr schwach, d.h. die Eigenmoden sind nur noch schwach lokalisiert. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Verbindung zwischen Zentrumsvortizes und Confinement untersucht. Um dünne Zentrumsvortizes zu identifizieren sind mehrere Schritte notwendig. Zuerst werden im Monte-Carlo Verfahren mit 3-Loop verbesserter Wirkung hergestellte SU(3) Hintergrundfelder in die maximale Zentrumseichung (MCG) gebracht. Dazu wird die mesonische Eichbedingung maximiert. Für die eichfixierten Links U_mu^Omega(x) wird dann das Zentrumselement Z_mu(x) gefunden, welches den Link am besten repräsentiert. Mit diesen Zentrumselementen wird der Zentrumsfluss durch jede Plaquette berechnet und somit definiert, ob ein Vortex die Plaquette durchstösst. Die Unabhängigkeit der physikalischen Vortexdichte von Gitterabstand a wird gezeigt. Dies legt nahe, dass die derart identifizierten Vortizes physikalisch sind. Um den Einfluss von Zentrumsvortizes auf das Farbconfinement zu testen wird das statische Quark-Antiquarkpotential für volle SU(3) Konfigurationen, für Konfigurationen die nur Vortizes enthalten und für Konfigurationen aus denen die Vortizes entfernt wurden, berechnet. Der Einfluss der Eichbedingung auf dieses Verfahren wird durch die Implementierung der idealen Zentrumseichung (ICG), als Vergleich zur maximalen Zentrumseichung, getestet. Es wird gezeigt, dass eine Theorie, die nur Zentrumsvortizes besitzt, Confinement aufweist, wohingegen die entsprechende Theorie aus der die Vortizes entfernt wurden kein Confinement mehr aufweist, also die Stringspannung verschwindet. Die Stringspannung für die Vortextheorie beträgt aber nur ungefähr 62% der vollen SU(3) Stringspannung für MCG Vortizes und nur ungefähr 58% für ICG Vortices. Daher wird vorgeschlagen, dass die mesonische Eichbedingung eine gute Näherung für die ideale Eichbedingung ist. Desweiteren werden Vorschläge gemacht wie das Rätsel der fehlenden 40% Stringspannung gelöst werden könnte. Diese Vorschläge beinhalten eine mathematische Erklärung und die Laplace Zentrumseichung