[論文レビュー] Carbon abundances of early B-type stars in the solar vicinity. Non-LTE line-formation for C II/III/IV and self-consistent atmospheric parameters

M. F. Nieva, N. Przybilla|ArXiv.org|Nov 23, 2007

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 62被引用数 48

ひとこと要約

本研究では、太陽近傍の6つの星の高S/Nスペクトルを用いて、注意深くキャリブレーションされた原子データと反復的的大気パラメータ決定法を用い、初期B型星における炭素線の自己無撞着な非局所熱平衡（non-LTE）解析を実施した。炭素の同位体比は log(C/H) + 12 = 8.32 ± 0.04 と高く均一に得られ、従来の解析で長年存在していた矛盾を解消し、回転混合による炭素の枯渇は最小限であることを示し、銀河系化学進化および星の元素比モデルに影響を与える。

ABSTRACT

Precise determinations of the chemical composition in early B-type stars consitute fundamental observational constraints on stellar and galactochemical evolution. Carbon is one of the most abundant metals in the Universe but analyses in early-type stars show inconclusive results, like large discrepancies between analyses of different lines in C II, a failure to establish the C II/III ionization balance and the derivation of systematically lower abundances than from other objects. We present a comprehensive and robust C II/III/IV model for non-LTE line-formation calculations based on carefully selected atomic data. The model is calibrated with high-S/N spectra of six apparently slow-rotating early B-type dwarfs and giants, which cover a wide parameter range and are randomly distributed in the solar neighbourhood. A self-consistent quantitative spectrum analysis is performed using an extensive iteration scheme to determine stellar atmospheric parameters and to select the appropriate atomic data used for the derivation of chemical abundances. We establish the carbon ionization balance for all sample stars based on a unique set of input atomic data, achieving consistency for all modelled lines. Highly accurate atmospheric parameters and a homogeneous carbon abundance with reduced systematic errors are derived. This results in a present-day stellar carbon abundance in the solar neighbourhood, which is in good agreement with recent determinations of the solar value and with the gas-phase abundance of the Orion H II region. The homogeneous present-day carbon abundance also conforms with predictions of chemical-evolution models for the Galaxy. The present approach allows us to constrain the effects of systematic errors on fundamental parameters and abundances. (abridged)

研究の動機と目的

• 初期B型星からの炭素同位体比の決定に長年存在した矛盾、特に強線と弱線のC ii線の差異を解消すること。
• 従来の非局所熱平衡解析が悩ませてきた、星の大気パラメータおよび原子データ選択における系統的不確実性を低減すること。
• 実験的キャリブレーションを用いて、C ii、C iii、C ivの自己無撞着で信頼性の高い非局所熱平衡線形成モデルを確立すること。
• 現在の銀河系化学進化モデルと整合する、高精度で均一な太陽近傍における炭素同位体比を導出すること。
• 回転混合が炭素同位体比に及ぼす影響を評価し、高品質分光法による星の元素比決定の信頼性を検証すること。

提案手法

• 放射遷移および衝突遷移率を含む注意深く選択された原子データを用いて、C ii、C iii、C ivの包括的な非局所熱平衡モデル原子を構築した。
• 各星に対して大気パラメータ（Teff、log g、微乱流速度）を同時に決定し、最適な原子データを選択する反復的スペクトル解析を実施した。
• 太陽近傍のゆっくり回転する初期B型矮星および巨星6つの高S/N、高分解能スペクトルを用いて、モデルをキャリブレーションした。
• C ii、C iii、C iv間の炭素の電離平衡を、導出された同位体比の一貫性を検証するための主要な制約条件とした。
• 統計的および系統的不確実性解析を適用し、不確実性をランダム（1σ ≈ 0.05–0.10 dex）と系統的（1σ ≈ 0.10–0.15 dex）に区別して定量化した。
• パラメータの一貫性を保証するため、HおよびHe線からの独立した決定、近赤外スペクトル、スペクトルエネルギー分布との比較による妥当性確認を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ従来の初期B型星における炭素の非局所熱平衡解析では、異なるC ii線からの同位体比が不一致を示すのか？
• RQ2 大気パラメータおよび原子データ選択における系統的誤差が、炭素同位体比の決定にどの程度影響を及ぼすのか？
• RQ3 非局所熱平衡効果と自己無撞着なパラメータ決定を適切に考慮した場合、太陽近傍における真の均一な炭素同位体比は何か？
• RQ4 回転混合による炭素の枯渇は大質量星においてどの程度顕著であり、太陽近傍の同位体比に影響を及ぼすのか？
• RQ5 導出された星の炭素同位体比は、太陽の値およびオリオンH II領域のようなガス相同位体比とどのように一致するのか？

主な発見

• 6つの初期B型星において、炭素同位体比 log(C/H) + 12 = 8.32 ± 0.04 が非常に均一に得られ、散らばりが最小限であった。
• 全星においてC ii、C iii、C iv間の炭素電離平衡が一貫して確立されており、原子データおよびモデルの信頼性が確認された。
• 大気パラメータおよび原子データ選択における系統的不確実性が、従来の炭素同位体比研究における主な不一致要因であることが特定された。
• 回転混合による炭素同位体比の枯渇は、1星あたり+0.05 dex未満であり、導出された太陽近傍値にほとんど影響しないことが示された。
• 導出された星の炭素同位体比は、改訂された太陽炭素同位体比およびオリオンH II領域のガス相同位体比と良好に一致した。
• 本研究は、正確な同位体比決定には高品質なデータに加え、原子データの厳密な実験的キャリブレーションおよび反復的パラメータ決定の両方が不可欠であることを示した。