[論文レビュー] 6Li detection in metal-poor stars: can 3D model atmospheres solve the second lithium problem?

M. Steffen, R. Cayrel+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、1次元モデル大気における対流による線の非対称性が6Li信号を模倣し、6Li/7Li比を過大評価することにより、第二のリチウム問題が3次元流体力学的モデル大気によって解消されるかどうかを調査している。3次元非局所熱平衡（non-LTE）モデルを用いて補正した場合、6Li/7Li比の過大評価が是正され、金属不足星における6Liの有意な2σ検出はHD 84937の1つの星にまで減少する。これは、6Liプラトーが1次元解析の結果である可能性が高く、宇宙論的異常ではないことを示唆している。

ABSTRACT

The presence of 6Li in the atmospheres of metal-poor halo stars is usually inferred from the detection of a subtle extra depression in the red wing of the 7Li doublet line at 670.8 nm. However, the intrinsic line asymmetry caused by convective flows in the photospheres of cool stars is almost indistinguishable from the asymmetry produced by a weak 6Li blend on a (presumed) symmetric 7Li profile. Previous determinations of the 6Li/ 7Li isotopic ratio based on 1D model atmospheres, ignoring the convection-induced line asymmetry, must therefore be considered as upper limits. By comparing synthetic 1D LTE and 3D non-LTE line profiles of the Li 670.8 nm feature, we quantify the differential effect of the convective line asymmetry on the derived 6Li abundance as a function of effective temperature, gravity, and metallicity. As expected, we find that the asymmetry effect systematically reduces the resulting 6Li/7Li ratios. Depending on the stellar parameters, the 3D-1D offset in 6Li/7Li ranges between -0.005 and -0.020. When this purely theoretical correction is taken into account for the Asplund 2006 sample of stars, the number of significant 6Li detections decreases from 9 to 5 (2 sigma criterion), or from 5 to 2 (3 sigma criterion). We also present preliminary results of a re-analysis of high-resolution, high S/N spectra of individual metal-poor turn-off stars, to see whether the "second Lithium problem" actually disappears when accounting properly for convection and non-LTE line formation in 3D stellar atmospheres. Out of 8 stars, HD84937 seems to be the only significant (2 sigma) detection of 6Li. In view of our results, the existence of a 6Li plateau appears questionable.

研究の動機と目的

• 金属不足星における1次元モデル大気の対流による線の非対称性が、6Li/7Li比の推定値を不自然に高めているかどうかを評価すること。
• 1次元局所熱平衡（LTE）解析において3次元対流ダイナミクスを無視することで生じる6Li/7Li比における系統的誤差を定量化すること。
• 金属不足のハロー星における報告された6Liプラトーが、古くさい1次元モデル化の結果である可能性があるかどうかを検証すること。
• 残留線幅拡大を補正するための「キャリブレーションライン」の信頼性を評価すること。これは6Li濃度推定に偏りをもたらす可能性がある。
• 8つの金属不足の主系列星の高分解能・高S/Nスペクトルを、3次元非局所熱平衡（non-LTE）モデルを用いて再分析し、6Li検出の再評価を行うこと。

提案手法

• CO 5 BOLD流体力学的シミュレーションと対応する1次元混合長モデルを用いて、合成された1次元LTEおよび3次元非局所熱平衡（non-LTE）線プロファイルを計算した。
• 3次元モデル大気は、星の表面層における時間に依存する圧縮性流体力学と非局所的放射線輸送に基づいて得られた。
• 同一の原子データと線幅拡大パラメータを用いてスペクトルを合成し、観測された合成フレックスとの差をχ²最小化によりフィッティングした。
• 有効温度、重力、金属量を関数として、3次元-1次元の差による導出された6Li/7Li比の差を定量化した。
• 残留線幅拡大は特定のラインを用いてキャリブレーションし、ラインごとの変動が6Li濃度に与える影響を評価した。
• 8つの金属不足の主系列星の高分解能・高S/N UVESおよびHARPSスペクトルを、1次元LTEおよび3次元非局所熱平衡（non-LTE）モデルを用いて再分析し、6Li検出の比較を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元対流が星の光球に与える固有の線非対称性が、670.8 nm Li I二重線に6Liのスペクトル的特徴を模倣するか？
• RQ2 1次元局所熱平衡（LTE）モデル大気が、考慮されていない対流非対称性のため、6Li/7Li同位体比をどの程度過大評価しているか？
• RQ3 3次元非局所熱平衡（non-LTE）モデル大気を用いて補正した場合、6Li検出はどの程度有意になるか？
• RQ4 残留線幅拡大の補正に「キャリブレーションライン」を使用することで、6Li濃度推定に系統的バイアスが生じる可能性はあるか？
• RQ5 最新の3次元非局所熱平衡（non-LTE）モデルを用いて分析した場合、金属不足星における報告された6Liプラトーは依然として存在するか？

主な発見

• 3次元-1次元の6Li/7Li比の差は-0.005から-0.020の範囲にあり、1次元解析が6Li濃度を系統的に過大評価していることを示している。
• 3次元非局所熱平衡（non-LTE）モデルを用いて補正した場合、Asplund et al. (2006)のサンプルにおいて、有意な6Li検出数は2σ基準で9から5に、3σ基準で5から2に減少した。
• 8つの個々の金属不足の主系列星を3次元非局所熱平衡（non-LTE）で再分析した結果、2σ検出として残るのはHD 84937の1つの星にとどまった。
• 残留線幅拡大の補正に「キャリブレーションライン」を用いることは、慎重に選択したとしても、追加の不確実性をもたらし、6Li濃度推定にバイアスをもたらす可能性がある。
• log n(6Li)/n(H)+12 ≈ 0.85における6Liプラトーは、3次元非局所熱平衡（non-LTE）補正により検出数が顕著に減少するため、1次元モデル化の結果である可能性が非常に高い。
• 本研究とL12 (2012)との間でHD 84937の6Li濃度に差が残っているが、これは未解決の問題であり、データや分析手法に問題がある可能性を示唆している。