[論文レビュー] 3D non-LTE line formation in the solar photosphere and the solar oxygen abundance

D. Kiselman, Åke Nordlund|arXiv (Cornell University)|May 8, 1995

Atmospheric and Environmental Gas Dynamics被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、3次元非局所熱平衡（non-LTE）線形成を、流体力学的モデルを用いて太陽光球層で検討し、太陽の酸素分圧を再評価する。O I 777 nm三重線およびOH/[O I]線を1次元LTE近似を越えてモデル化することで、3D非局所熱平衡効果は酸素分圧の差を小さくするが、完全に解消はしないことが判明。これは、同等幅およびf値の測定不確実性の範囲内で、解決可能である可能性を示唆する。

ABSTRACT

We study the formation of O I and OH spectral lines in three-dimensional hydrodynamic models of the solar photosphere. The line source function of the O I 777 nm triplet is allowed to depart from local thermodynamic equilibrium (LTE), within the two-level-atom approximation. Comparison with results from 1D models show that the 3D models alleviate, but do not remove, the discrepancy between the oxygen abundances reported from non-LTE work on the 777 nm triplet and from the [O I] 630 nm and OH lines. Results for the latter two could imply that the solar oxygen abundance is below 8.8 (lg(H) = 12). If this is confirmed, the discrepancy between theory and observation for the 777 nm triplet lines might fall within the range of errors in equivalent width measurements and f-values. The line source function of the 777 nm triplet in the 1.5D approximation is shown to differ insignificantly from the full 3D non-LTE result.

研究の動機と目的

• 異なるスペクトル線から導かれる太陽の酸素分圧の長年の不一致を解消すること。
• 3次元流体力学的構造および非局所熱平衡効果が、太陽光球層における線形成に与える影響を調査すること。
• 3次元非局所熱平衡モデリングが、O I 777 nm三重線からの酸素分圧と、[O I] 630 nmおよびOH線からの酸素分圧を一致させることをテストすること。
• 3次元非局所熱平衡線形成をモデリングする際の1.5次元近似の妥当性を評価すること。

提案手法

• 太陽光球層の気象構造をモデル化するために、1次元仮定に代えて3次元流体力学的シミュレーションが用いられる。
• O I 777 nm三重線に対する非局所熱平衡放射線輸送は、源関数の2準位原子近似を用いて実施される。
• 空間的に変化する温度、密度、および速度場を考慮して、3次元で線形成が計算される。
• 3D効果および非局所熱平衡からの逸脱の影響を評価するため、1D LTEおよび非局所熱平衡モデルと比較される。
• 1.5次元近似の妥当性を、完全な3次元非局所熱平衡解と比較することでテストされる。
• 同等幅および線プロファイルが合成され、観測と比較され、酸素分圧が推定される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元非局所熱平衡効果は、O I 777 nm三重線と他の線から導かれる酸素分圧の差をどの程度小さくするか？
• RQ2 3次元流体力学的構造は、太陽光球層における非局所熱平衡準位分布および線形成にどのように影響するか？
• RQ3 1.5次元近似は、O I 777 nm三重線の完全な3次元非局所熱平衡線形成を正確に再現できるか？
• RQ4 観測された酸素分圧の差は、同等幅測定値や遷移確率の不確実性に起因するものであり、物理的不整合ではないのだろうか？
• RQ5 一貫した3次元非局所熱平衡モデリングを複数の線に適用した場合、示唆される太陽の酸素分圧は何か？

主な発見

• 3次元非局所熱平衡モデリングにより、O I 777 nm三重線と[O I] 630 nmおよびOH線から導かれる酸素分圧の差は小さくなるが、完全には解消されない。
• [O I] 630 nmおよびOH線の結果は、太陽の酸素分圧がlg(H) = 8.8未満である可能性を示唆しており、以前の推定よりも低い可能性を示している。
• 1.5次元近似は、O I 777 nm三重線に関して、完全な3次元非局所熱平衡解とほとんど区別できない結果を生成するため、計算コストが低い代替手法としての有効性が裏付けられた。
• 残存する酸素分圧の差は、同等幅測定値および遷移確率の不確実性の範囲内で説明可能である可能性がある。
• 3次元モデルにおける非局所熱平衡効果は、特に温度勾配と速度勾配が急峻な上部光球層で、1次元LTEと比べて線形成を顕著に変化させる。