[論文レビュー] Consistent metallicity scale for cool dwarfs and giants. A benchmark test using the Hyades

Letícia Dutra-Ferreira, L. Pasquini+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 80被引用数 24

ひとこと要約

本研究では、ハイアデス星団をベンチマークとして用いて、冷却矮星および巨星の間で一貫性のある金属量スケールを確立した。干渉測定による視直径と3次元モデルに基づく微乱流速度のキャリブレーションを組み合わせることで、両星種において一貫した金属量結果（0.18 ± 0.03 dex）が得られ、系統的な異常値の差が生じる原因は星の組成の本質的差異ではなく、分析手法の選択によるものであることが示された。

ABSTRACT

In several instances chemical abundances of dwarf and giant stars are used simultaneously under the assumption that they share the same abundance scale. This assumption might have implications in different astrophysical contexts. We aim to ascertain a methodology capable of producing a consistent metallicity scale for giants and dwarfs. To achieve that, we analyzed giants and dwarfs in the Hyades open cluster. All these stars have archival high-resolution spectroscopic data obtained with HARPS and UVES. In addition, the giants have interferometric measurements of the angular diameters. We analyzed the sample with two methods. The first method constrains the atmospheric parameters independently from spectroscopy. For that we present a novel calibration of microturbulence based on 3D model atmospheres. The second method is the classical spectroscopic based on Fe lines. We also tested two line lists in an attempt to minimize possible non-LTE effects and to optimize the treatment of the giants. We show that it is possible to obtain a consistent metallicity scale between dwarfs and giants. The preferred method should constrain the three parameters $T_{ m eff}$, $\log~g$, and $ξ$ independent of spectroscopy. In particular, the lines should be chosen to be free of blends in the spectra of giants. When attention is paid to the line list, the classical spectroscopic method can also produce consistent results. The metallicities derived with the well-constrained set of stellar parameters are consistent independent of the line list used. Therefore, for this cluster we favor the metallicity of +0.18$\pm$0.03 dex obtained with this method. The classical spectroscopic analysis, using the line list optimized for the giants, provides a metallicity of +0.14$\pm$0.03 dex, in agreement with previous works.

研究の動機と目的

• 冷却矮星と巨星の間で金属量スケールに不一致が生じる要因となる、星のパラメータ決定における系統的誤差を解消すること。
• 統一された手法を用いることで、矮星と巨星のスペクトル的元素含有量分析が一貫した結果をもたらすかどうかを検証すること。
• ラインリストの選択、連続スペクトルの配置、機器差異が金属量の精度に与える影響を評価すること。
• オープン集合において異なる星種間で一貫性のある金属量を導出するための最も頑健な手法を特定すること。
• 今後の星の金属量および系外惑星形成に関する研究のベンチマークを提供するため、一貫性のある分析フレームワークを検証すること。

提案手法

• スペクトロスコピーとは独立して、効果的温度（$T_{\rm eff}$）および表面重力（$\log g$）を制約するため、ハイアデスの巨星に対して干渉測定による視直径を用いた。
• 3次元流体力学的モデル大気を基にした新規な微乱流速度（$\xi$）キャリブレーションを開発し、スペクトル線フィッティングとは独立して$\xi$を推定可能とした。
• 2つの分析手法を適用した：M1法（スペクトロスコピーによるパrameter決定を含まない）およびM2法（Fe IおよびFe II線を用いた古典的スペクトロスコピー的分析）。
• MASHおよびASPLの2種類のラインリストをテストし、特に巨星スペクトルにおいて混合効果や非局所熱平衡（non-LTE）効果を最小限に抑えることを焦点とした。
• 矮星に対しては赤外線フラックス法（IRFM）を用いて$T_{\rm eff}$を導出し、理論的進化trackを用いて$\log g$を制約した。
• 太陽を基準として相対的元素含有量分析を実施したが、連続スペクトルの配置や機器差異が系統的効果を完全に相殺できないことの限界を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同じ物理的仮定のもとで、冷却矮星と巨星の間で一貫性のある金属量スケールを達成できるか？
• RQ2 特に$T_{\rm eff}$、$\log g$、$\xi$の星の大気パラメータ決定における系統的誤差が、矮星と巨星の間で誤った金属量差を生じる程度はどの程度か？
• RQ3 スペクトルラインリストの選択が、矮星と巨星の金属量決定の一貫性にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 3次元モデルに基づく微乱流速度キャリブレーションを用いることで、星種を越えて金属量測定の頑健性と一貫性が向上するか？
• RQ5 連続スペクトルの配置や機器差異といった系統的効果が完全に相殺されない場合、相対的元素含有量分析の最小達成可能精度はどの程度か？

主な発見

• 星の大気パラメータがスペクトロスコピーとは独立して制約される場合、冷却矮星と巨星の間で一貫性のある金属量スケールを達成できる。特に干渉測定データと3次元モデルに基づく微乱流速度キャリブレーションが有効である。
• 好ましい手法（M1法）ではハイアデス星団の金属量が0.18 ± 0.03 dexと得られ、ラインリストの種類に関わらず一貫しており、矮星と巨星の間に顕著な系統的オフセットは認められなかった。
• 巨星に最適化されたラインリスト（ASPL）を用いた古典的スペクトロスコピー的分析（M2法）では、金属量が0.14 ± 0.03 dexと得られ、先行研究と整合的であり、M1法との誤差範囲内にあった。
• 巨星に最適化されていないラインリスト（例：MASH）を用いることで、矮星と巨星の間で最大0.06 dexの系統的差が生じ、ラインリストのカスタマイズの重要性が浮き彫りになった。
• 連続スペクトルの配置や機器差異に起因する系統的誤差は、それぞれ約0.03 dexおよび0.05 dexのずれを引き起こし、非ラインバイライン相対的分析の精度を約0.03 dexに制限することが分かった。
• M1法は、ラインリストの種類に関わらず一貫した結果を生み出すという点で優れた頑健性を示しており、適切に制約されたパラメータがラインリストの不完全性を補うことができることを示している。