[論文レビュー] Line formation in solar granulation VI. [C I], C I, CH and C2 lines and the photospheric C abundance

M. Asplund, N. Grevesse+3 more|ArXiv.org|Oct 28, 2004

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 3被引用数 123

ひとこと要約

本研究は、3次元流体力学的太陽フォトスフィアモデルと非局所熱平衡（non-LTE）補正を用いて、[C i]、C i、CH、C₂線を分析し、太陽フォトスフィアの炭素含有量を決定した。その結果、log ε_C = 8.39 ± 0.05の顕著に低い含有量が得られ、長年の診断法間の不一致が解消され、従来の1次元ベースの推定値から0.17デキシル低下した。

ABSTRACT

The solar photospheric carbon abundance has been determined from [C I], C I, CH vibration-rotation, CH A-X electronic and C2 Swan electronic lines by means of a time-dependent, 3D, hydrodynamical model of the solar atmosphere. Departures from LTE have been considered for the C I lines. These turned out to be of increasing importance for stronger lines and are crucial to remove a trend in LTE abundances with the strengths of the lines. Very gratifying agreement is found among all the atomic and molecular abundance diagnostics in spite of their widely different line formation sensitivities. The mean of the solar carbon abundance based on the four primary abundance indicators ([C I], C I, CH vibration-rotation, C_2 Swan) is log C = 8.39 +/- 0.05, including our best estimate of possible systematic errors. Consistent results also come from the CH electronic lines, which we have relegated to a supporting role due to their sensitivity to the line broadening. The new 3D based solar C abundance is significantly lower than previously estimated in studies using 1D model atmospheres.

研究の動機と目的

• 異なる原子線および分子線から得られる太陽炭素含有量推定値の不一致を解消すること。
• 最新の3次元流体力学的太陽大気モデルを用いてフォトスフィアの炭素含有量を決定すること。
• C i線における非局所熱平衡（non-LTE）効果を考慮し、含有量推定値に与える影響を評価すること。
• 3次元モデル下での複数の含有量指標（[C i]、C i、CH振動-回転遷移、C₂スワン線、CH電子遷移）の整合性を評価すること。
• 太陽炭素含有量をB星における独立測定値、銀河間媒体、太陽風と一致させ、C/O比に与える影響を評価すること。

提案手法

• 時間に依存する3次元流体力学的太陽フォトスフィアモデルを用いて、現実的な大気構造と力学的挙動をシミュレートした。
• C i線に対する非局所熱平衡（non-LTE）放射線輸送計算を実施し、特に強い線で局所熱平衡（LTE）からの著しい逸脱が生じることを明らかにした。
• VALDおよびNISTデータベースからの高精度な原子・分子データ（遷移確率、励起エネルギー、解離エネルギーなど）を用いた。
• [C i] 872.7 nm、C i、CH振動-回転、C₂スワン、CH A-X遷移の観測線プロファイルについて、詳細なスペクトル合成とχ²フィッティングを実施した。
• Anstee & O’Mara (1995)およびBarklem et al. (1998)の表を用いて衝突による幅拡大を考慮し、表にない線についてはUnsöldの公式をバックアップとして用いた。
• 診断法間の整合性をテストし、系統的誤差を同定するため、複数の診断法を比較した。3次元モデルにより、広範な異なる線形成感度を持つ診断法間で整合性が達成された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元流体力学的モデルを用いて、複数の原子線および分子線から得られる太陽フォトスフィア炭素含有量は何か？
• RQ2 C i線における非局所熱平衡（non-LTE）効果は、含有量推定値にどのように影響を及ぼし、整合性を確保するために不可欠か？
• RQ3 3次元モデルおよび非局所熱平衡（non-LTE）条件下で、[C i]、C i、CH、C₂などの異なる含有量指標はどの程度一致するか？
• RQ4 新しい3次元ベースの炭素含有量は、従来の1次元ベースの推定値およびB星や銀河間媒体における独立測定値とどのように比較されるか？
• RQ5 新しい炭素含有量は太陽のC/O比にどのような影響を及ぼし、太陽風およびフレアからの測定値と整合するか？

主な発見

• 太陽炭素含有量は、[C i]、C i、CH振動-回転、C₂スワン線の4つの主要診断法の平均をもとに、log ε_C = 8.39 ± 0.05（系統誤差を含む）として決定された。
• C i線における非局所熱平衡（non-LTE）効果は顕著であり、線強度が強いほど顕著になる。LTE推定値の線強度依存性トレンドを解消するためには、これらの効果の取り入れが不可欠である。
• 3次元モデル下でも、温度・圧力感度が著しく異なる複数の主要診断法間で良好な一致が得られ、結果の整合性が裏付けられた。
• 3次元モデルにより、1次元モデルで見られた原子線と分子線の間の長年の不一致（分子線が系として高い含有量を示す）が解消された。
• 新しい含有量は、従来の1次元ベースの推定値よりも顕著に低い：Anders & Grevesse (1989) より -0.17デキシル、Lambert (1978) より -0.28デキシル低い。
• 再評価された太陽C/O比は 0.54 ± 0.09 であり、太陽フレア（0.54 ± 0.04）および太陽風（0.47 ± 0.01）からの測定値と良好に一致しており、新しい低炭素含有量を支持する。