[論文レビュー] Kinetic equilibrium of iron in the atmospheres of cool stars III. The ionization equilibrium of selected reference stars

A. J. Korn, Jianrong Shi+1 more|ArXiv.org|Jun 17, 2003

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 32被引用数 76

ひとこと要約

本研究では、非局所熱的平衡（non-LTE）線形成計算とヒッパルコス視差を用いて、低温星における鉄の水素衝突スケーリング係数（S_H）を決定し、Fe IとFe IIの電離平衡を達成する。最適なS_H = 3は、分光的表面重力とアストロメトリック表面重力のずれを最小化し、金属不足星の元素組成分析の精度を著しく向上させ、星のパラメータ決定における系縁バイアスを低減する。

ABSTRACT

Non-LTE line formation calculations of Fe I are performed for a small number of reference stars to investigate and quantify the efficiency of neutral hydrogen collisions. Using the atomic model that was described in previous publications, the final discrimination with respect to hydrogen collisions is based on the condition that the surface gravities as determined by the Fe I/Fe II ionization equilibria are in agreement with their astrometric counterparts obtained from HIPPARCOS parallaxes. Depending on the choice of the hydrogen collision scaling factor S_H, we find deviations from LTE in Fe I ranging from 0.00 (S_H = infinity) to 0.46 dex (S_H = 0 for HD140283) in the logarithmic abundances while Fe II follows LTE. With the exception of Procyon, for which a mild temperature correction is needed to fulfil the ionization balance, excellent consistency is obtained for the metal-poor reference stars if Balmer profile temperatures are combined with S_H = 3. The correct choice of collisional damping parameters ("van-der-Waals" constants) is found to be generally more important for these little evolved metal-poor stars than considering departures from LTE. For the Sun the calibrated value for S_H leads to average Fe I non-LTE corrections of 0.02 dex and a mean abundance from Fe I lines of log epsilon(Fe) = 7.49 \pm 0.08. We confront the deduced stellar parameters with comparable spectroscopic analyses by other authors which also rely on the iron ionization equilibrium as a gravity indicator. On the basis of the HIPPARCOS astrometry our results are shown to be an order of magnitude more precise than published data sets, both in terms of offset and star-to-star scatter.

研究の動機と目的

• 金属不足星において光電離が支配的である低温星の大気における鉄の水素衝突効率の不確実性を解消すること。
• 鉄の電離平衡において局所熱的平衡（LTE）を仮定することによるバイアスを最小限に抑えることで、分光的星のパラメータの精度を向上させること。
• ヒッパルコス視差からのアストロメトリック制約を用いて、水素衝突スケーリング係数S_Hを校正すること。
• 非局所熱的平衡（non-LTE）効果と原子の減衰パラメータ（ファン・デル・ワールス定数）が、金属不足星における鉄の元素組成決定に与える相対的な影響を評価すること。
• 太陽やHE 0107–5240のような極端なハロー天体を含む複数の基準星を用いて、S_H = 3の校正の妥当性を検証すること。

提案手法

• 中性水素との衝突率を組み込んだ原子モデルを用いて、Fe Iの非局所熱的平衡（non-LTE）線形成計算を実施する。
• 高信噪比・高分解能のエッケルススペクトルを用い、個々のラインプロファイルのフィットと相対的鉄の元素組成を導出する。
• ヒッパルコス視差を用いてアストロメトリック表面重力を決定し、これをFe I/Fe IIの電離平衡から得られる重力と比較する。
• 水素衝突スケーリング係数S_Hを変化させ、分光的およびアストロメトリックlog g値のずれを最小にするS_H値を同定する。
• バルマー線プロファイル温度を温度指標として用い、非局所熱的平衡（non-LTE）における鉄の電離平衡と組み合わせて、一貫性のある星のパラメータを導出する。
• 既存の分光的分析結果と比較して結果を検証し、極端なハロー星（例：HE 0107–5240）を用いてS_H = 3の校正の頑健性をテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属不足星においてFe IとFe IIの電離平衡を達成するための最適な水素衝突スケーリング係数S_Hの値は何か？
• RQ2 非局所熱的平衡（non-LTE）効果を考慮した場合、局所熱的平衡（LTE）仮定と比較して、表面重力および鉄の元素組成にどのような影響を与えるか？
• RQ3 非局所熱的平衡（non-LTE）効果と比較して、原子の減衰パラメータ（ファン・デル・ワールス定数）が金属不足星における鉄の元素組成決定に与える影響はどの程度か？
• RQ4 バルマー線プロファイル温度と非局所熱的平衡（non-LTE）における鉄の電離平衡を組み合わせることで、ヒッパルコス視差と整合性のある表面重力を得られるか？
• RQ5 S_Hの校正は、特に最も金属不足な星を含む、さまざまな金属量範囲でどのように性能を発揮するか？

主な発見

• 水素衝突スケーリング係数S_Hは3に校正され、基準星全体にわたり、分光的表面重力とアストロメトリック表面重力のずれが最小化される。
• HD 140283では、非局所熱的平衡（non-LTE）補正によるFe Iの元素組成は、S_H = ∞のとき0.00 dexからS_H = 0のとき0.46 dexまで変動し、水素衝突を無視した場合に顕著な非局所熱的平衡（non-LTE）効果が生じることが示された。
• S_H = 3のとき、金属不足星では優れた電離バランスが達成されるが、プロキオン（Procyon）は分光的およびアストロメトリック制約を一致させるために90 Kの温度補正（6600 Kに修正）を要する。
• 校正済みのS_H = 3は、太陽に対して平均して0.02 dexの非局所熱的平衡（non-LTE）補正をもたらし、log ε(Fe) = 7.49 ± 0.08をもたらす。
• この手法により、従来の局所熱的平衡（LTE）ベースの分析と比較して、表面重力および金属量の不確実性が1桁低減され、ばらつきとずれが小さくなった。
• 非局所熱的平衡（non-LTE）効果は、典型的な球状星の巨星の金属量以下で飽和する傾向を示し、S_H = 3の校正が銀河の金属量範囲の大部分で頑健であることを示唆している。