[論文レビュー] Oxygen Line Formation in Late-F through Early-K Disk/Halo Stars: Infrared O I Triplet and [O I] Lines

Yoichi Takeda|May 14, 2001

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 34被引用数 53

ひとこと要約

本研究は、晩期F〜初期K型の銀diskおよびハロー星における酸素線—特に赤外線領域のO I三重項（7771–5）および禁制線[O I]（6300/6363）—における非局所熱平衡（non-LTE）効果を調査する。広範なnon-LTE計算を用いて、O I三重項線は、線強度および大気パラメータにのみ依存する非局所熱平衡補正を伴う二準位原子散乱モデルでよく記述され、金属量には依存しないことが判明した。一方、[O I]線については局所熱平衡（LTE）が有効である。金属不足のハロー星では、non-LTE補正後でさえも、O Iと[O I]線の間で0.3 dexの系統的差異が確認され、この星の酸素分光学測定に根本的な問題がある可能性を示唆している。

ABSTRACT

In order to investigate the formation of O {\sc i} 7771--5 and [O {\sc i}] 6300/6363 lines, extensive non-LTE calculations for neutral atomic oxygen were carried out for wide ranges of model atmosphere parameters, which are applicable to early-K through late-F halo/disk stars of various evolutionary stages. The formation of the triplet O {\sc i} lines was found to be well described by the classical two-level-atom scattering model, and the non-LTE correction is practically determined by the parameters of the line-transition itself without any significant relevance to the details of the oxygen atomic model. This simplifies the problem in the sense that the non-LTE abundance correction is essentially determined only by the line-strength ($W_λ$), if the atmospheric parameters of $T_{ m eff}$, $\log g$, and $ξ$ are given, without any explicit dependence of the metallicity; thus allowing a useful analytical formula with tabulated numerical coefficients. On the other hand, our calculations lead to the robust conclusion that LTE is totally valid for the forbidden [O {\sc i}] lines. An extensive reanalysis of published equivalent-width data of O {\sc i} 7771--5 and [O {\sc i}] 6300/6363 taken from various literature resulted in the conclusion that, while a reasonable consistency of O {\sc i} and [O {\sc i}] abundances was observed for disk stars ($-1 \la [{ m Fe}/{ m H}] \la 0$), the existence of a systematic abundance discrepancy was confirmed between O {\sc i} and [O {\sc i}] lines in conspicuously metal-poor halo stars ($-3 \la [{ m Fe}/{ m H}] \la -1$) without being removed by our non-LTE corrections, i.e., the former being larger by $\sim 0.3$ dex at $-3 \la [{ m Fe}/{ m H}] \la -2$.

研究の動機と目的

• 晩期F〜初期K型の銀diskおよびハロー星における赤外線領域のO I三重項および[O I]禁制線の形成メカニズムを調査すること。
• これらの線からの酸素分光学測定に及ぼすnon-LTE効果の影響を評価すること。
• 金属不足星におけるO I線と[O I]線から導かれる酸素分光学測定値の長年の不一致を解消すること。
• この不一致がnon-LTE効果に起因するのか、それとも本質的な天体物理学的要因に起因するのかを特定すること。
• 金属不足星に適用可能な、パラメータ依存の解析的補正式を提供すること。

提案手法

• 銀diskおよびハロー星に適した広範なモデル大気パラメータ（Teff, log g, ξ）の範囲で、中性酸素の広範なnon-LTE放射線輸送計算を実施した。
• O I三重項線形成を二準位原子散乱モデルで記述し、Rybickiの数値スキームを用いて源関数の解を得た。
• non-LTE補正が線強度（Wλ）、有効温度、表面重力、原子モデルパラメータにどのように依存するかを評価した。
• LTEおよびnon-LTEの出射放射度を比較し、等価幅を計算し、non-LTE分光学的補正（Δ）を導出した。
• 複数の文献からの公開済み等価幅データを再分析し、さまざまな金属量領域におけるO Iおよび[O I]分光学測定値を比較した。
• 3次元流体力学的モデル大気の分光学的補正への影響を評価したが、O Iおよび[O I]線に対しては影響が小さいことが結論づけられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 non-LTEは、晩期F〜初期K型星におけるO I 7771–5三重項線の形成に顕著に影響を与えるか？
• RQ2 金属不足星におけるO Iと[O I]酸素分光学測定値の観測された不一致は、non-LTE効果に起因するのか、それとも本質的な天体物理学的要因に起因するのか？
• RQ3 線強度および大気パラメータのみに依存する、O I三重項線の普遍的なnon-LTE補正式を導出可能か？
• RQ4 O I三重項線のnon-LTE補正は金属量に依存するか？また、モデルが示唆するようにその依存性は無視できるか？
• RQ5 なぜO I–[O I]分光学的不一致は金属不足のハロー星において、銀disk星よりも顕著に現れるのか？

主な発見

• O I 7771–5三重項線のnon-LTE補正は、主に線強度（Wλ）および大気パラメータ（Teff, log g, ξ）に依存し、金属量への依存性は無視できるほど小さい。
• O I三重項線形成は、二準位原子散乱モデルでよく記述され、非局所熱平衡補正が線強度および局所的大気条件にのみ依存するという簡素化が可能である。
• 禁制線[O I] 6300/6363線については、局所熱平衡（LTE）が強く成立しており、non-LTE補正は無視できる（|Δ| < 0.1 dex）。
• 金属不足のハロー星（−3 ≤ [Fe/H] ≤ −1）において、O Iと[O I]分光学測定値の間で0.3 dexの系統的差異が確認され、non-LTE補正後でも持続する。
• より高いTeff/log gの星では不一致が顕著でないため、矮星または準巨星は金属不足星集団における信頼性の高い酸素分光学測定に適している。
• 3次元流体力学的モデル大気の補正は、O Iおよび[O I]線に対して顕著な影響を及ぼさず、結論に大きな変化をもたらさない。