2D calculations for atoms and ions in strong magnetic fields of white dwarfs and neutron stars

Abstract

The following work is devoted to the description of atoms and ions in strong magnetic fields as they can occur in the vicinity of magnetic white dwarfs and neutron stars. The ultimate goal of this work is the contribution to an understanding of unique absorption features detected in the spectra of such stars. One natural explanation for these features are atomic absorptions in the stars' strongly magnetized atmospheres. Models for the atmospheres of magnetic white dwarfs and corresponding spectra have already been applied with great success to observed data, and absorption features of the light elements hydrogen and helium were identified. A comparable success in the modeling of neutron star atmospheres has still to be accomplished. This is related to the extreme conditions in neutron star atmospheres, namely very high temperatures, magnetic fields, and particle densities. Also, the progenitors of neutron stars produce heavy elements up to iron, which are likely to contribute to the composition of the neutron star atmosphere. The poor knowledge of atomic data of heavier elements in strong magnetic fields hampers the further understanding of neutron star emission spectra.

In this work we present reliable and fast programs that are capable of creating a large database for atomic states and transitions in a wide range of the magnetic field strength. Based upon previous work we implemented a two-dimensional Hartree-Fock-Roothaan method that overcomes former restrictions, namely the adiabatic approximation and the Landau orbital product ansatz. This software suite allows for a precise description of atomic wave functions and energy values in an extended range of magnetic field strengths. Additionally, the programs are capable of calculating atomic transition energies and strengths. During the development of these programs we focused on automated data production and processing, and payed special attention to program reliability and execution speed. The results for the hydrogen atom presented in this work have already proven useful in the context of an astrophysical application, and improve current atmosphere model calculations of magnetic white dwarfs. Further, our results enhance the understanding of atomic energy spectra at neutron star magnetic fields. The wave functions and energy values calculated in this thesis serve as a starting point for other methods, e.g. the fixed-phase diffusion quantum Monte Carlo method, as well as for photoionization calculations of atoms in strong magnetic fields.

Die nachstehende Arbeit befasst sich mit Atomen und Ionen in Magnetfeldern solcher Stärke wie sie auf den Oberflächen von magnetischen weißen Zwergen und Neutronensternen vorkommen können. Unser Ziel ist zum Verständnis von bis dato unverstandenen Absorptionsmerkmalen in den Spektren dieser Sterne beizutragen. Als Ursache dieser Merkmale kommt unter anderem die Absorption von Licht durch die Atome der Sternatmosphäre in Betracht. Für weiße Zwerge konnten bereits mehrfach Modellierungen der Sternatmosphäre und der zugehörigen Sternspektren durchgeführt werden, sodass den beobachteten Spektren erfolgreich Absorptionen der leichten Elemente Wasserstoff und Helium zugeordnet werden konnten. Dies ist mit letzter Gewissheit für Neutronensterne noch nicht gelungen, nicht zuletzt deshalb, weil ein umfassendes Verständnis atomarer Zustände in starken Magnetfeldern, insbesondere auch der schwereren Elemente bis Eisen, welche als Fusionsprodukte des Vorgängersterns die atomare Zusammensetzung der Sternatmosphäre bestimmen können, zwingende Voraussetzung für eine solche Modellierung ist. Bisher liegen jedoch kaum atomare Daten für Elemente schwerer als Helium unter solchen Bedingungen vor.

In dieser Arbeit wird eine zuverlässige und schnelle Methode präsentiert, die den Aufbau einer Datenbank von atomaren Zuständen und Übergängen in einem weiten Wertebereich der Magnetfeldstärke ermöglicht. Basierend auf Erkenntnissen vorheriger Untersuchungen wurde ein zweidimensionales Hartree-Fock-Roothaan-Verfahren implementiert. Bisherige Näherungen zur Beschreibung der Wellenfunktionen, wie die adiabatische Näherung und der Produktansatz für Landauorbitale wurden überwunden. Die erstellte Programmsuite ermöglicht eine genaue Beschreibung der atomaren Wellenfunktionen und Energiewerte in einem großen Bereich der Magnetfeldstärke und erlaubt des Weiteren die Berechnung von atomaren Übergängen. Besonderes Augenmerk lag bei der Entwicklung der Programme auf Stabilität und Geschwindigkeit, sodass eine automatisierte Gewinnung und Verarbeitung der atomaren Daten möglich wird. Die hier vorgestellten Ergebnisse fanden zum einen bereits im Rahmen aktueller astrophysikalischen Studien zur Verbesserung der Atmosphärenmodelle weißer Zwerge Verwendung, und leisten zum anderen einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis von atomaren Zuständen bei Neutronensternmagnetfeldstärken. Des Weiteren dienen die im Rahmen dieser Arbeit berechneten Wellenfunktionen und Energiewerte als Ausgangspunkt für weiterführende Verfahren, wie zum Beispiel der Fixed-Phase Diffusions-Quanten-Monte-Carlo Methode, sowie Berechnungen zur Photoionisation in starken Magnetfeldern.