[論文レビュー] Chemical abundances in metal-poor giants: limitations imposed by the use of classical 1D stellar atmosphere models

V. Dobrovolskas, A. Kučinskas+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、金属不足巨星における元素分画に及ぼす対流および温度非均一性の影響を評価するために、3次元流体力学的（CO 5 BOLD）および1次元静水的（LHD）星間大気モデルを比較した。その結果、[M/H] = –3.0における中性原子の3D–1D分画補正は–0.8 dexに達することが判明した。これは、3Dモデルにおける水平的温度変動が強く、平均温度が低いことに起因し、低金属量星において1Dモデルを用いることの重大な限界を示している。

ABSTRACT

In this work we have used 3D hydrodynamical (CO5BOLD) and 1D hydrostatic (LHD) stellar atmosphere models to study the importance of convection and horizontal temperature inhomogeneities in stellar abundance work related to late-type giants. We have found that for a number of key elements, such as Na, Mg, Si, Ca, Ti, Fe, Ni, Zn, Ba, Eu, differences in abundances predicted by 3D and 1D models are typically minor (< 0.1 dex) at solar metallicity. However, at [M/H] = -3 they become larger and reach to -0.5...-0.8 dex. In case of neutral atoms and fixed metallicity, the largest abundance differences were obtained for the spectral lines with lowest excitation potential, while for ionized species the largest 3D-1D abundance differences were found for lines of highest excitation potential. The large abundance differences at low metallicity are caused by large horizontal temperature fluctuations and lower mean temperature in the outer layers of the 3D hydrodynamical model compared with its 1D counterpart.

研究の動機と目的

• 金属不足赤色巨星におけるスペクトル線形成に及ぼす3次元的対流運動および水平的温度非均一性の影響を評価すること。
• 3次元流体力学的（CO 5 BOLD）および1次元静水的（LHD）星間大気モデルから導かれる元素分画の差異を定量化すること。
• とりわけ中性およびイオン化種に対して、古典的1次元モデルが低金属量星分画作業においてどの程度信頼できるかを評価すること。
• Fe、Mg、Ca、Euなどの主要元素について、金属量、準位準位、波長に応じた3D–1D分画補正の変化を調査すること。
• 3Dおよび1次元モデル間で一貫したミクロ物理学（吸収率、状態方程式）を用いることにより、先行研究との不一致を解消すること。

提案手法

• 同一の大気パラメータ、化学組成、吸収率、状態方程式を有する3次元流体力学的CO 5 BOLDモデルと1次元静水的LHDモデルを用いた。
• 太陽系および[M/H] = –3.0の金属量における3Dおよび1次元モデルの温度構造および水平的温度変動を比較した。
• LINFOR3Dを用いてスペクトル線合成を実施し、微乱流効果を最小限に抑えるために弱い線（W < 5 mÅ）に焦点を当てた。
• 等価幅から導かれる分画の差異として3D–1D分画補正を計算した。
• 準位準位を0〜6 eVのステップ2 eVごとに設定し、λ = 4000 Åおよび8500 Åに架空の線を合成することで、準位準位の影響を分離した。
• Na I、Mg I、Mg II、Si I、Si II、Ca I、Ca II、Ti I、Ti II、Fe I、Fe II、Ni I、Ni II、Zn I、Zn II、Ba II、Eu IIの多様な元素について分析を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属不足巨星において、3次元流体力学的モデルは1次元モデルと比較して予測される元素分画にどのように影響を与えるか？
• RQ2 中性およびイオン化種に対して、金属量、準位準位、波長に応じた3D–1D分画補正の依存性は何か？
• RQ3 低金属量において3Dと1次元モデルの分画差異が大きくなる理由は何か？また、その背後にある物理的メカニズムは何か？
• RQ4 外層大気における水平的温度変動および平均温度差が、線強度および分画決定にどのように影響を与えるか？
• RQ5 研究間で報告された3D–1D補正の不一致を説明する要因として、モデルのミクロ物理学的差異（例：吸収率、状態方程式）がどの程度寄与しているか？

主な発見

• [M/H] = –3.0における中性原子の3D–1D分画補正は最大で–0.80 dexに達し、主にλ = 8500 Åにおける低準位準位の線で顕著に現れた。
• 一価イオン種では3D–1D分画補正は小さく、[M/H] = –3.0であっても通常±0.1 dexを超えない。
• 中性原子の最大3D–1D分画補正は、準位準位が低い（例：0 eV）場合に発生し、これは大気外層部の冷却され、より乱流の強い領域で線形成が起こることを示している。
• イオン種では、最も負の補正が高準位準位で観測され、これは深部（log τ_Ross ≈ 0）における温度非均一性の影響が強いことを示している。
• 本研究と先行研究（例：[4]）との不一致は、[4]で用いられた3D–1Dモデルの外層における温度差が大きく、ミクロ物理学の不一致に起因していると説明された。
• 本研究は、水平的温度変動および3Dモデルにおける平均温度の低さが、特に中性原子において低金属量で顕著な分画差異を引き起こす主因であることを確認した。