[論文レビュー] Does the solar oxygen abundance change over the solar cycle? An investigation into activity-induced variations of the O I infrared triplet

A. G. M. Pietrow, M. Baratella+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2026

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ひとこと要約

本研究は20年間にわたり太陽を星としてのスペクトルを解析し、O I 赤外線三重項から推定される太陽酸素 abundance が太陽循環と変動するかを検証する。PEPSIデータでのみEWの小さく統計的に有意な変動を検出するが、通常の不確かさの範囲内では abundance の変化はほとんどない。

ABSTRACT

The determination of the solar oxygen abundance remains a central problem in astrophysics, as its accuracy is limited not only by models but also by systematics. While many of these factors have been thoroughly characterized, the effect of the solar activity cycle has so far remained unexplored. Due to its relative strength and accessibility, the O I infrared triplet is typically the primary choice for abundance studies. However, previous investigations have shown that abundances inferred from this triplet tend to be higher than expected on active stars, whereas such an overabundance effect is not observed for the much weaker forbidden O I 6300 Å line. This raises the question of whether a similar trend can be found for the Sun. To address this question, we analyze two decades' worth of synoptic disk-integrated Sun-as-a-star datasets from the FEROS, HARPS-N, PEPSI, and NEID spectrographs, focusing on the infrared triplet (7772, 7774, 7775 Å) and the forbidden O I 6300 Å line. The excellent signal-to-noise ratio of the PEPSI observations allows us to detect a weak but significant variation in the equivalent widths of the infrared triplet, corresponding to about 0.01 dex difference in abundance between activity minimum and maximum. This value is significantly smaller than the typical uncertainties on the solar oxygen abundance. Due to higher scatter, no comparable trend is found in the other data sets. Based on these results, we conclude that within the typical uncertainties presented in other works, we can assume the inferred solar oxygen abundance to be stable across the solar cycle, but that this effect may be significant for other, more active stars.

研究の動機と目的

• 太陽活動周期と共に O の abundance が変化するかを評価する。
• O I 赤外線三重項および禁止線 O I 6300 Å における活動起因の変動を定量化する。
• 複数の太陽を星としてのデータセットを横断比較し、一貫した傾向を特定する。

提案手法

• ARES v2 を用いて O I 7772, 7774, 7775 Å の三重項および O I 6300 Å の EW を測定する。
• データを信号対雑音比で分類し、地元正午付近の15日直近の月間の高S/N 観測を選択する。
• EW と太陽活動（黒点数）との間の Pearson 相関係数を計算する。
• データを活動期（黒点数 ≥ 50）と静穏期（黒点数 < 50）に分けて中央値を比較する。
• EW の差を Steffen et al. (2015) の3D NLTE 曲線の成長から A(O) の変化に換算する。
• 微小な変化を検出する際の制限と機器特有の精度について議論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 O I 赤外線三重項の EW は太陽活動周期とともに有意な変動を示すか（太陽を星としての観測全体で？）
• RQ2 O I 三重項から推定される太陽の A(O) は太陽周期内の通常の abundance 不確かさの範囲で安定か？
• RQ3 O I 6300 Å の禁止線は活動に対し三重項と比較してどのように応答し、 activity に起因する abundance バias を明らかにできるか？

主な発見

• PEPSI データは太陽活動と相関する O I 赤外線三重項の EW に弱くも有意な変動を示し、A(O) は約 0.01 dex に相当する。
• FEROS および NEID データは赤外線三重項の EW-活動相関を有意には示さない。
• HARPS-N または PEPSI データでは O I 6300 Å 禁止線は太陽活動とトレンドを示さない。
• 0.01 dex の abundance 変化は PEPSI データの赤外線三重項で約 1 mÅ の EW 変化に対応する。
• 総じて、太陽循環を通じた太陽 O abundance は A(O) の推定不確かさの範囲内で安定している。他星での活動が強い場合にはこの効果が増幅される可能性がある。
• この研究は検出された活動の痕跡は太陽 O abundance の研究には影響を与えるには小さすぎる可能性を示す一方、より活動的な星では分析に偏りを生じ得ることを示唆している。