[論文レビュー] NLTE study of scandium in the Sun

Huawei Zhang, T. Gehren+1 more|Feb 19, 2008

Astro and Planetary Science参考文献 23被引用数 30

ひとこと要約

本研究は、詳細な原子モデルと合成スペクトル合成を用いて、太陽光球における中性および一価イオンケイニウム線の非局所熱力学的平衡（NLTE）解析を初めて実施した。NLTE効果により、強線が欠落しているためSc I準位が強く励起状態に欠落し、結果として太陽におけるケイニウムの再評価された太陽標準含有量は log ε☉(Sc) = 3.07–3.13 であると判明した。実験的gf値は、隕石値と比較して0.09 dexの乖離を示したが、Kuruczのgf値は隕石含有量と非常に近い値を示した。

ABSTRACT

We investigate the formation of neutral and singly ionized scandium lines in the solar photospheres. The research is aimed derive solar $\log gfε_{\odot}$(Sc) values for scandium lines, which will later be used in differential abundance analyses of metal-poor stars. Extensive statistical equilibrium calculations were carried out for a model atom, which comprises 92 terms for \ion{Sc}{i} and 79 for \ion{Sc}{ii}. Photoionization cross-sections are assumed to be hydrogenic. Synthetic line profiles calculated from the level populations according to the NLTE departure coefficients were compared with the observed solar spectral atlas. Hyperfine structure (HFS) broadening is taken into account. The statistical equilibrium of scandium is dominated by a strong underpopulation of \ion{Sc}{i} caused by missing strong lines. It is nearly unaffected by the variation in interaction parameters and only marginally sensitive to the choice of the solar atmospheric model. Abundance determinations using the ODF model lead to a solar Sc abundance of between $\logε_\odot = 3.07$ and 3.13, depending on the choice of $f$ values. The long known difference between photospheric and meteoritic scandium abundances is confirmed for the experimental $f$-values.

研究の動機と目的

• 長年の光球および隕石中のケイニウム含有量の不一致を解消するために、非局所熱力学的平衡（NLTE）線形成計算を用いて正確な太陽ケイニウム含有量を決定すること。
• 太陽光球におけるSc IおよびSc II線形成に及ぼすNLTE効果の影響、特に低イオン化ポテンシャルとSc Iの少数イオン性に起因する影響を調査すること。
• 超微細構造（HFS）および原子データの不確実性（例：gf値）が、金属貧乏星における微小含有量分析の信頼性に与える影響を評価すること。
• 最新のNLTEモデリングと更新された原子データを用いることで、長年の光球と隕石中のケイニウム含有量の不一致を解消すること。
• 将来的な金属貧乏星における微小含有量研究に使用可能な、信頼性の高い更新済み太陽標準含有量を提供すること。

提案手法

• NISTデータに基づき、Sc I（92項）およびSc II（79項）の詳細な原子モデルを構築し、NLTE統計平衡計算に放射遷移および衝突過程を組み込んだ。
• 加速ラムダ反復法を用いて放射移動および統計平衡方程式を解くために、改訂版のDETAILプログラムを用いた。これによりNLTE準位分布を考慮した。
• 太陽鉄含有量（log ε(Fe) = 7.51）にスケーリングされたMAFAGSから得られたODF（吸収率分布関数）モデルの対流圧力構造を計算した。
• Sc IおよびSc IIの実験的HFSデータを用いて、超微細構造による幅の拡大を組み込み、合成ラインプロファイルの精度を向上させた。
• NLTE計算から得た乖離係数を用いて、合成ラインプロファイルと観測された太陽スペクトルアトラスデータを比較し、ライン強度を調整して含有量を導出。
• 原子モデルパラメータ（光電離断面積、衝突率）および大気モデル（ODF対OS）の変動に対する感度をテストしたが、最終的な含有量結果にほとんど影響を及ぼさなかった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NLTE効果は、太陽光球における中性および一価イオンケイニウム線形成にどのように影響を与えるか？
• RQ2 gf値の不確実性（理論的対実験的）は、導出された太陽ケイニウム含有量にどの程度影響を与えるか？
• RQ3 なぜ光球中のケイニウム含有量が隕石値と異なるのか？NLTEモデリングはこの不一致を解消できるか？
• RQ4 超微細構造（HFS）は、Sc IおよびSc IIラインプロファイルおよび含有量決定にどの程度の役割を果たすか？
• RQ5 大気モデルパラメータおよび原子データ選択の変動に対して、太陽ケイニウム含有量はどれほど頑健か？

主な発見

• 強線が欠落しているため、NLTE効果によりSc I準位が強く励起状態に欠落し、結果としてSc Iは少数イオン（99.8％がイオン化）となり、LTE解析は信頼できない。
• KuruczおよびBell（1995）のgf値を用いた太陽ケイニウム含有量は log ε☉(Sc) = 3.07 ± 0.04 であり、隕石値（3.04 ± 0.04）と非常に良好に一致した。
• LawlerおよびDakin（1989）の実験的gf値を用いた含有量は log ε☉(Sc) = 3.13 ± 0.05 であり、隕石値を0.09 dex上回っており、顕著な乖離を示した。
• 光球と隕石中のケイニウム含有量の不一致は確認されたが、本研究では、未知の混合やHFS誤差によるものではなく、ラインごとの含有量に系統的傾向が認められなかったことから、不一致の原因はそれらではないと示された。
• 大気モデルの選択（ODF対OS）に対する含有量結果の感度は低く、平均差は–0.016 dexにとどまり、NLTE結果の頑健性が確認された。
• ラインごとの含有量の残りの散らばりは、主に理論的および実験的gf値の不確実性に起因しており、モデリングやHFSの系統的誤差によるものではない。