[論文レビュー] Line formation in solar granulation VII. CO lines and the solar C and O isotopic abundances

Patrick Scott, M. Asplund+2 more|CERN Bulletin|May 4, 2006

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 62被引用数 48

ひとこと要約

本研究では、ATMOS宇宙ミッションから得られたCO分光線を分析するために、3次元放射線流体力学的太陽大気モデルを用い、高い精度で太陽の炭素および酸素同位体の分画比を決定した。太陽の炭素分画比は log ε(C) = 8.39 ± 0.05 であり、同位体比は 12C/13C = 86.8+3.9−3.7 および 16O/18O = 479+29−28 であった。これは光球上層に低温のCOモスフィアが存在することを示唆し、現在の太陽系形成モデルに挑戦するものである。

ABSTRACT

CO spectral line formation in the Sun has long been a source of consternation for solar physicists, as have the elemental abundances it seems to imply. We modelled solar CO line formation using a realistic, ab initio, time-dependent 3D radiative-hydrodynamic model atmosphere. Results were compared with observations from the space-based ATMOS experiment. We employed weak 12C16O, 13C16O and 12C18O lines from the fundamental and first overtone bands to determine the solar carbon abundance, as well as the 12C/13C and 16O/18O isotopic ratios. A weighted carbon abundance of log epsilonC = 8.39 +-0.05 was found. We note with satisfaction that the derived abundance is identical to our recent 3D determination based on CI, [C I], C2 and CH lines. Identical calculations were carried out using 1D models, but only the 3D model was able to produce abundance agreement between different CO lines and the other atomic and molecular diagnostics. Solar 12C/13C and 16O/18O ratios were measured as 86.8+3.9-3.7 (delta13C = 30+46-44) and 479+29-28 (delta18O = 41+67-59), respectively. These values may require current theories of solar system formation to be revised. Excellent agreement was seen between observed and predicted weak CO line shapes, without invoking micro- or macroturbulence. Agreement breaks down for the strongest CO lines however, which are formed in very high atmospheric layers. The simplest explanation is that temperatures are overestimated in the highest layers of the 3D simulation. Thus, our analysis supports the presence of a COmosphere above the traditional photospheric temperature minimum, with an average temperature of less than 4000K. The shortcoming of the model atmosphere is not surprising, given that it was never intended to properly describe such high layers.

研究の動機と目的

• ATMOS宇宙ミッションの弱いCO線を用いて、太陽の炭素分画比を決定すること。
• 太陽赤外スペクトル内のCO分光線を用いて、12C/13Cおよび16O/18O同位体比を測定すること。
• 3次元放射線流体力学的モデルが、微乱流やマクロ乱流を仮定せずに観測されたCO線プロファイルを再現できるかどうかを検証すること。
• 観測された最も強いCO線と予測された線強度との乖離を調査し、高層大気におけるモデルの限界を示すこと。
• 結果が太陽大気の構造および太陽系形成理論、特にCO自己遮蔽仮説に与える影響を評価すること。

提案手法

• 太陽のグランセーションとCO線形成を模擬する、現実的でアバ・イノ・タイムに依存する3次元放射線流体力学的モデル大気を採用した。
• 基本振動（Δv=1）および第1オーバートーン（Δv=2）バンドからの弱い12C16O、13C16O、および12C18O線を用い、元素分画比を導出した。
• 合成線プロファイルをATMOS実験による宇宙ベースのスペクトルと比較し、モデル予測の妥当性を検証した。
• 3次元と1次元の両方のモデル大気を用いた並列計算を行い、3次元と1次元手法の性能を比較した。
• 線のバイセクタと強度を分析し、高層大気における温度構造および非局所熱平衡効果を評価した。
• C i、[C i]、C2、CH、およびCO線の複数の診断法を通じて得られた分画比の整合性を評価し、結果の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元放射線流体力学的モデルは、微乱流やマクロ乱流を仮定せずに、太陽スペクトル内の観測されたCO線プロファイルを正確に再現できるか？
• RQ2 CO線から導かれる太陽の炭素分画比は何か？ 他の原子および分子診断法の結果と比較するとどうなるか？
• RQ3 太陽における12C/13Cおよび16O/18O同位体比の正確な値は何か？ また、太陽系形成モデルの予測と比較するとどうなるか？
• RQ4 最も強いCO線では観測値と予測値の間に乖離が生じるが、その理由は何か？ これは高層大気における温度構造にどのような含意をもたらすか？
• RQ5 モデルは光球上層に低温のCOモスフィアが存在することを支持するか？ その平均温度は何か？ また、それにはどのような含意があるか？

主な発見

• CO線から導かれた重み付き太陽炭素分画比は log ε(C) = 8.39 ± 0.05 であり、C i、[C i]、C2、CH線からの3次元結果と良好に一致した。
• 12C/13C同位体比は 86.8+3.9−3.7（δ13C = 30+46−44）と測定され、これまで想定されてきた値よりも高い比であった。
• 16O/18O同位体比は 479+29−28（δ18O = 41+67−59）と決定され、現在の太陽系形成理論の見直しが必要である可能性を示唆した。
• 3次元モデルは、微乱流やマクロ乱流を仮定せず、弱いCO線の形状を正確に再現できたが、1次元モデルでは複数の診断法との一貫性を達成できなかった。
• 最も強いCO線における乖離は、3次元モデルが高層大気の温度を過大評価している可能性を示唆し、平均温度が4000 K未満の低温のCOモスフィアが存在すると考えられる。
• モデルの高層部における欠陥は、想定されたものであり、上層コア層を正確に記述するように設計されていないため、上層コア層のモデル化の改善が今後の課題である。