[論文レビュー] Abundance Analysis of the Halo Giant HD122563 with Three-Dimensional Model Stellar Atmospheres

R. Collet, Åke Nordlund+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2009

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、金属不足のハロ巨星HD122563における最初の3次元流体力学的モデル大気解析を提示し、標準的な1次元モデルと比較して3次元効果が局所熱平衡（LTE）における元素分光学的測定に顕著に影響することを明らかにした。3次元モデルは上部光球層の温度を低く予測し、放射平衡と対流のより正確な取り扱いに起因して、3次元大気における線形成が強くなるため、鉄と酸素の分光学的含有量が低下する。酸素についてはOH線からの推定で最大1 dexの低下が見られた。

ABSTRACT

We present a preliminary local thermodynamic equilibrium (LTE) abundance analysis of the template halo red giant HD122563 based on a realistic, three-dimensional (3D), time-dependent, hydrodynamical model atmosphere of the very metal-poor star. We compare the results of the 3D analysis with the abundances derived by means of a standard LTE analysis based on a classical, 1D, hydrostatic model atmosphere of the star. Due to the different upper photospheric temperature stratifications predicted by 1D and 3D models, we find large, negative, 3D-1D LTE abundance differences for low-excitation OH and Fe I lines. We also find trends with lower excitation potential in the derived Fe LTE abundances from Fe I lines, in both the 1D and 3D analyses. Such trends may be attributed to the neglected departures from LTE in the spectral line formation calculations.

研究の動機と目的

• 古典的な1次元静的モデルに代えて、3次元時間に依存する流体力学的シミュレーションを用いることで、金属不足のハロ巨星における星の元素分光学的解析の精度を向上させること。
• 3次元対流効果が金属不足の赤色巨星の上部光球層における温度構造および分子・イオン平衡に与える影響を調査すること。
• 観測されたスペクトル線を用いて、3次元モデル大気が局所熱平衡（LTE）における分光学的含有量の決定に与える影響、特に鉄と酸素について定量的に評価すること。
• 1次元モデルの結果の信頼性を3次元シミュレーションと比較することで、分光学的含有量の決定に及ぼす系統的バイアスを特定すること。

提案手法

• 金属不足の赤色巨星の3次元放射流体力学的シミュレーションを、Stagger-codeを用いて実施。計算領域は約3700×3700×1100 Mmで、グリッド解像度は480×480×240を使用。
• 実際の吸収率（Gustafsson et al. 1975; Kurucz 1992, 1993）と吸収率のバンド化（Nordlund 1982）を用いて、垂直および傾斜方向の光路に沿った放射移動方程式を解いた。
• 同一の星のパラメータ（Teff ≈ 4600 K、log g = 1.6、[X/H] = -3）を用いて、直接比較可能な1次元MARCSモデル大気を構築した。
• Fe i、Fe ii、OH、CH、CNの合成スペクトル線を、3次元および1次元モデルの両方で局所熱平衡（LTE）条件下で計算し、Aoki et al. (2007) および Barbuy et al. (2003) が報告した等価幅と一致させるように調整した。
• 1次元解析では観測された線幅拡張を再現するため、微乱流速度を2.0 km s⁻¹として設定したが、3次元シミュレーションでは自然に対流運動が含まれていた。
• 3次元と1次元モデルの両方において、Fe i/Fe iiのイオン化平衡および分子線（OH、CN、CH）からの分光学的含有量を比較し、系統的差異を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元モデル大気は、金属不足の赤色巨星の上部光球層における温度構造と線形成を1次元モデルと比較してどのように変化させるか？
• RQ2 3次元対流効果は、HD122563における鉄と酸素の局所熱平衡（LTE）分光学的含有量の決定にどのような影響を与えるか？
• RQ3 1次元および3次元解析の両方でFe iの含有量と準位エネルギーの間の傾向が残っているのはなぜか？これは非局所熱平衡（non-LTE）効果を何を示唆しているか？
• RQ4 3次元モデルは1次元モデルと比較して、分子平衡（例：OH、CN）をどれほど正確に再現できるか？その結果、分光学的含有量補正はどの程度か？
• RQ5 [O i] 6300 Å線とOH線からの3次元補正済み酸素含有量の間に乖離が生じるのはなぜか？これはモデルの限界を何を示唆しているか？

主な発見

• 3次元モデル大気は、光学的厚さ1の位置で1次元モデルと比較して約1000 K低い上部光球層温度を予測した。
• 3次元モデルではFe i線が強くなるのは、中性鉄の割合が高いためであり、観測された等価幅と一致させるには3次元の分光学的含有量を1次元と比較して約0.3 dex低くする必要がある。
• 3次元におけるFe ii分光学的含有量は1次元よりも高くなるため、Fe i–Fe iiの分光学的含有量差が約0.3 dex増加し、3次元モデルではイオン化平衡が悪化していることを示唆している。
• 3次元モデルで赤外線OH線から導かれた酸素分光学的含有量は、1次元値と比較して約1 dex低く、励起エネルギーとの間に傾向がないため、温度構造の正確性が向上していると示唆される。
• CH線からの3次元炭素分光学的含有量は1次元と比較して約0.2 dex低く、CN線からの3次元窒素分光学的含有量は1次元と比較して約1 dex低く、3次元温度構造に対する分子の感受性が強いことが示された。
• [O i] 6300 Å線の3次元–1次元分光学的含有量差はわずか-0.15 dexであるが、OH線からの含有量と組み合わせると不一致が生じ、モデルの不正確さや非考慮の非局所熱平衡（non-LTE）効果の可能性を示唆している。