[論文レビュー] Line formation in solar granulation: IV. [O I], OI and OH lines and the photospheric O abundance

M. Asplund, N. Grevesse+3 more|ArXiv.org|Dec 11, 2003

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 63被引用数 513

ひとこと要約

本研究では、太陽の光球層における酸素の質量関数を、3次元時間依存型流体力学的太陽大気モデルと[O I]、O I、およびOH線の非局所熱平衡（non-LTE）放射線輸送を用いて決定した。log ε(O) = 8.66 ± 0.05 の結果が得られ、長年の異なる酸素指標間の不一致が解消され、太陽の金属量が Z = 0.0126 と低い値に修正された。しかし、音速の不一致により、太陽内部モデル（特に分光的振動解析）に挑戦をもたらす。

ABSTRACT

The solar photospheric oxygen abundance has been determined from [OI], OI, OH vibration-rotation and OH pure rotation lines by means of a realistic time-dependent, 3D, hydrodynamical model of the solar atmosphere. In the case of the OI lines, 3D non-LTE calculations have been performed, revealing significant departures from LTE as a result of photon losses in the lines. We derive a solar oxygen abundance of log O = 8.66 +/- 0.05. All oxygen diagnostics yield highly consistent abundances, in sharp contrast with the results of classical 1D model atmospheres. This low value is in good agreement with measurements of the local interstellar medium and nearby B stars. This low abundance is also supported by the excellent correspondence between lines of very different line formation sensitivities, and between the observed and predicted line shapes and center-to-limb variations. Together with the corresponding down-ward revisions of the solar carbon, nitrogen and neon abundances, the resulting significant decrease in solar metal mass fraction to Z = 0.0126 can, however, potentially spoil the impressive agreement between predicted and observed sound speed in the solar interior determined from helioseismology.

研究の動機と目的

• 太陽光球層における異なるスペクトル線から導かれる酸素質量関数の長年の不一致を解消すること。
• 現実的な3次元時間依存型流体力学的太陽大気モデルを用いて、真の太陽光球層酸素質量関数を特定すること。
• 非局所熱平衡（non-LTE）効果および3次元大気構造が、特に[O I]、O I、およびOH線の形成に与える影響を評価すること。
• 異なる形成感度を持つ複数の診断指標間での酸素質量関数決定の整合性を評価すること。
• 再評価された太陽酸素質量関数が、太陽内部モデル、特に分光的振動解析に与える影響を検討すること。

提案手法

• 太陽大気の3次元時間依存型流体力学的モデルを用いて、現実的なグランセーションおよび対流運動を再現した。
• O I線の3次元非局所熱平衡（non-LTE）放射線輸送計算を実施し、光子損失および局所熱平衡からの逸脱を考慮した。
• 合成スペクトルを用いて、[O I] 630.0 nm、O I 777.4 nm 三重線、およびOHの振動-回転および純粋回転線を分析した。
• 高分解能観測と比較して、合成ラインプロファイルおよび中心縁変化を検証した。
• 更新された遷移確率を含む一貫性のある原子データを用い、[O I]線におけるNi Iとの混合効果も考慮した。
• 異なる診断指標間での結果の一貫性を評価し、太陽金属量および分光的振動モデルに与える影響を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元大気構造と非局所熱平衡効果を考慮した場合、真の太陽光球層酸素質量関数は何か？
• RQ2 なぜ1次元モデルでは、[O I]、O I、およびOH線といった異なる酸素指標が不一致した酸素質量関数を示すのか？
• RQ3 非局所熱平衡からの逸脱が、太陽光球層におけるO I線形成にどのように影響を与えるか？
• RQ4 3次元流体力学的モデルは、観測されたラインプロファイルおよび中心縁変化との一致度をどの程度向上させるか？
• RQ5 低い酸素質量関数が、太陽内部構造および分光的振動モデルにどのような影響を及えるか？

主な発見

• 3次元時間依存型流体力学的モデルと3次元非局所熱平衡計算を用いて、太陽酸素質量関数は log ε(O) = 8.66 ± 0.05 に決定された。
• 3次元モデルを用いることで、[O I]、O I、およびOH線のすべての酸素診断指標が、1次元解析で見られた以前の不一致を解消し、非常に一貫性のある質量関数を示した。
• O I線における非局所熱平衡効果は、光子損失のため顕著であり、正確な質量関数決定には3次元非局所熱平衡計算が不可欠である。
• 再評価された酸素質量関数により、太陽金属量は Z = 0.0126 に低下し、以前の Z = 0.0194 よりも顕著な下方修正となった。
• 新しい質量関数は、周囲の銀河間物質および近隣のB型星の測定値と良好に一致し、以前の過剰な質量関数パラドックスが解消された。
• 低い金属量は分光的振動モデルに挑戦をもたらす。なぜなら、予測された音速が観測結果とそれほど一致しなくなったからである。これは、光球層と内部の質量関数に不一致があるか、または放射率処理に不正確さがある可能性を示唆している。