[論文レビュー] 3D Hydrodynamical Simulations of Surface Convection in Red Giant Stars. Impact on spectral line formation and abundance analysis

R. Collet, M. Asplund+1 more|ArXiv.org|Mar 26, 2007

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 134

ひとこと要約

本研究では、赤色巨星の大気における3次元流体力学的シミュレーションを用いて、現実的な対流運動がスペクトル線形成および元素の同定に与える影響を調査する。3Dモデルは1Dモデルと比較して、上層大気の温度が顕著に低い予測を示し、これにより局所熱力学平衡（LTE）下で中性種および分子線が強くなる。金属不足の巨星（[Fe/H] ≈ −3）において、C、N、O、Feの3D–1D元素同定補正は−0.5～−1.0 dexに達する。

ABSTRACT

We investigate the impact of 3D hydrodynamical model atmospheres of red giant stars at different metallicities on the formation of spectral lines of a number of ions and molecules. We carry out realistic 3D simulations of surface convection in red giant stars with varying stellar parameters. We use the simulations as time-dependent hydrodynamical model stellar atmospheres to compute atomic (Li, O, Na, Mg, Ca, Fe) and molecular (CH, NH, OH) spectral lines under the assumption of local thermodynamic equilibrium (LTE). We compare the line strengths computed in 3D with the results of analogous line formation calculations for 1D, hydrostatic, plane-parallel MARCS model atmospheres in order to estimate the impact of 3D models on the derivation of elemental abundances. The temperature and density inhomogeneities and correlated velocities in 3D models, as well as the differences between the 1D and mean 3D structures significantly affect the predicted line strengths. Under the assumption of LTE, the low atmospheric temperatures of very metal-poor 3D model atmospheres cause the lines from neutral species and molecules to appear stronger than in 1D. Therefore, elemental abundances derived from these lines using 3D models are significantly lower than according to 1D analyses. Differences between 3D and 1D abundances of C, N, and O derived from CH, NH, and OH weak low-excitation lines are found to be in the range -0.5 dex to -1.0 dex for the the red giant stars at [Fe/H]=-3 considered here. At this metallicity, large negative corrections (about -0.8 dex) are also found for weak low-excitation Fe I lines. We caution, however, that departures from LTE might be significant for these and other elements and comparable to the effects due to stellar granulation.

研究の動機と目的

• 3次元流体力学的モデル大気の影響が赤色巨星におけるスペクトル線形成に与える影響を評価すること。
• 3次元（3D）と古典的1次元（1D）モデル大気との間で元素同定がどのように異なるかを定量化すること。
• 3Dモデルにおける温度非均一性、速度場、および密度構造の違いが、局所熱力学平衡（LTE）下での線強度に与える影響を調査すること。
• 金属不足の赤色巨星における同定分析に及ぼす3D効果の重要性を評価すること、特にC、N、O、Feに関して。
• 非局所熱力学平衡（non-LTE）効果および散乱近似に関するシステム的不確実性を特定すること。

提案手法

• さまざまな有効温度および金属量を想定した赤色巨星における表面対流の第一原理的3次元流体力学的シミュレーションを実施する。
• 得られた時間に依存する3次元モデル大気を、局所熱力学平衡（LTE）下でのスペクトル線形成計算の入力として使用する。
• 原子線（Li i, O i, Na i, Mg i, Ca i, Fe i, Fe ii）および分子線（CH, NH, OH）の線強度を、3次元および1次元モデル大気の両方で計算する。
• 3次元と1次元モデルの間で線強度を微分比較し、3D–1D同定補正を導出する。
• 比較のため、同じ星のパラメータを仮定してMARCS 1Dモデル大気コードを用いる。
• 散乱を吸収として近似することと、非局所熱力学平衡（non-LTE）効果が導出補正に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元流体力学的モデル大気は、赤色巨星におけるスペクトル線の予測強度を1次元モデルと比較してどのように変化させるか？
• RQ2 金属不足の赤色巨星における弱い低励起エネルギー線（C、N、O、Fe）の3D–1D同定補正の大きさと方向は何か？
• RQ3 3次元モデルにおける温度非均一性および相関する速度場が、線形成および同定決定にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 非局所熱力学平衡（non-LTE）からの逸脱および散乱近似が、3次元同定補正の信頼性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 3次元モデルは、静水的平衡および混合長理論に関する1次元同定解析のシステム的誤差を解消できるか？

主な発見

• 3次元モデル大気は、温度非均一性および相関する速度場のため、1次元モデルと比較して上層大気が顕著に冷却されている。
• 局所熱力学平衡（LTE）下で、中性種および分子（CH、NH、OH）のスペクトル線は、3次元モデルでは1次元モデルよりも強くなる。これは上層大気の冷却に起因する。
• 金属不足の巨星（[Fe/H] ≈ −3）において、弱い低励起エネルギー線（CH、NH、OH）からのC、N、Oの3D–1D同定補正は−0.5～−1.0 dexの範囲に達する。
• 同様の金属量において、Fe i線の大きな負の補正（約−0.8 dex）が確認され、1次元解析がFe同定を過大評価していることが示唆される。
• 局所熱力学平衡（LTE）の仮定は、重大な誤差を引き起こす可能性があり、特にFeにおける過剰イオン化という非局所熱力学平衡（non-LTE）効果が、対流に起因する線強度増加を相殺する可能性がある。これは、非局所熱力学平衡（non-LTE）効果の大きさが3次元効果と同程度であることを示唆している。
• 3次元同定解析におけるシステム的不確実性は、散乱を吸収として近似することと、非局所熱力学平衡（non-LTE）効果を無視することに起因し、両者とも紫外域の温度構造および放射束予測に影響を与える可能性がある。