[論文レビュー] 3-D non-LTE radiative transfer effects in Fe I lines: II. Line formation in 3-D radiation hydrodynamic simulations

R. Holzreuter, S. K. Solanki|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2013

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 39被引用数 30

ひとこと要約

本研究は、3-D放射流体力学的シミュレーションを用いて太陽Fe I線における3-D非局所熱平衡（NLTE）放射遷移効果を調査し、3-D NLTE、1-D NLTE、およびLTE近似を比較した。水平方向の放射遷移は1-D NLTEと比較してライン対比を20–30%弱める一方、200 Kに達する温度逆転誤差を引き起こす可能性があり、LTEと比較してライン深さの差が20%に達することから、高分解能太陽分光法において3-D NLTEの必要性が強調された。

ABSTRACT

We investigate the effects of horizontal radiative transfer (RT) a NLTE on important diagnostic iron lines in a realistic 3-D HD simulation. Using a multi-level atom we compute and compare widely used Fe I line profiles at 3 different levels of approximation (3-D NLTE, 1-D NLTE, LTE). We find that the influence of horizontal RT is of the same order of magnitude as that of NLTE, although spatially more localized. Also, depending on the temperature of the surroundings, horizontal RT is found to weaken or strengthen spectral lines. Line depths and equivalent width may differ by up to 20% against the corresponding LTE value if 3-D RT is applied. Residual intensity contrasts in LTE are found to be larger than those in 3-D NLTE by up to a factor of two. When compared to 1-D NLTE, we find that horizontal RT weakens the contrast by up to 30% almost independently of the angle of line of sight. While the CLV of the 1-D and 3-D NLTE contrasts are of similar form, the LTE contrast CLV shows a different run. The determination of temperatures by 1-D NLTE inversions of spatially resolved observations may produce errors of up to 200 K if one neglects 3-D RT. We find a linear correlation between the intensity difference of 1-D and 3-D NLTE and a simple estimate of the temperature in the horizontal environment of the line formation region. This correlation could be used to coarsely correct for the effects of horizontal RT in inversions done in 1-D NLTE. Horizontal RT is less important if one considers spatially averaged line profiles because local line strengthening and weakening occur with similar frequency in our HD atmosphere. Thus, the iron abundance is underestimated by 0.012 dex if calculated using 1-D NLTE RT. Since effects of horizontal RT are largest for spatially resolved quantities, the use of 3-D RT is particularly important for the interpretation of high spatial resolution observations.

研究の動機と目的

• 現実的な3-D太陽大気における水平方向放射遷移（RT）がFe I線形成に与える影響を評価すること。
• 特に粒状領域および間粒領域において、非局所熱平衡（NLTE）効果と3-D RTの併存する影響をスペクトルラインプロファイルに定量化すること。
• 空間的に解像された太陽観測における1-D NLTE逆問題の解析で3-D RTを無視した場合の結果的影響を評価すること。
• 水平方向環境の温度差と水平RTによるラインプロファイルのずれとの相関関係を確立すること。
• 3-D RTを無視した場合の鉄の質量関数決定および温度診断に与える影響を明らかにすること。

提案手法

• MURAMコードの3-D放射流体力学的シミュレーションスナップショットを用い、現実的な太陽大気状態をモデル化した。
• Fe Iラインプロファイルを3種のRT近似（3-D NLTE、1-D NLTE、LTE）の下で計算するため、多準位鉄原子モデルを適用した。
• 水平光子輸送を含む完全な3-D幾何学的配置を用いて放射遷移計算を実施し、非局所効果を捉えた。
• 異なる大気領域および観測方向におけるラインプロファイル、等価幅、対比変動を比較した。
• 統計的相関を用いて、水平方向の温度勾配がライン深さおよび強度に与える影響を定量化した。
• 環境温度とライン深さ比の観測的相関を用いて、1-D NLTE逆問題における3-D RT効果の粗い補正法を提案した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水平方向放射遷移効果は、1-D NLTEおよびLTEと比較して、3-D NLTE条件下におけるFe Iラインプロファイルにどのように影響を与えるか？
• RQ2 粒状領域および間粒領域において、水平RTがライン深さおよび等価幅に与える影響の大きさと空間的分布は何か？
• RQ3 ライン形成領域とその水平周囲の温度差が、ラインの弱体化または強化にどのように寄与するか？
• RQ4 空間的に解像された観測データに対して1-D NLTEを用いる場合、3-D NLTE効果が温度逆転にどの程度歪みを引き起こすか？
• RQ5 環境温度とライン深さ比の単純な経験的相関を用いて、1-D NLTE逆問題における3-D RT効果を補正できるか？

主な発見

• 水平方向放射遷移は1-D NLTEと比較してスペクトルラインの対比を20–30%弱める。これにより、残渣強度対比はLTE値のおよそ半分にまで低下する。
• 3-D NLTEにおけるライン深さおよび等価幅は、LTE値と比較して最大20%の差を示す。これは主に粒状領域の境界付近で強い水平温度勾配を示す領域で顕著である。
• 水平RTの影響はNLTE効果と同程度のオーダーであるが、空間的にはより局在的であり、特に温度逆転付近で最も顕著である。
• 1-D/3-D NLTEライン深さ比とライン形成領域とその水平環境との温度差の間に線形相関が存在し、100 Kあたり1–2%の感度を示す。
• 水平RTを無視した1-D NLTEによる温度逆転は、最大200 Kの誤差を生じる可能性があり、1-D NLTEと3-D RTの誤差を組み合わせた累積誤差は300–400 Kに達する可能性がある。
• 水平RT効果が考慮されていないため、1-D NLTE RTを用いて鉄の質量関数を計算すると、0.012 dex低く見積もられる。空間平均ラインでは差が約1%にとどまるが、これは無視できない影響を示している。