[論文レビュー] Oxygen lines in solar granulation. I. Testing 3D models against new observations with high spatial and spectral resolution

Tiago M. D. Pereira, D. Kiselman+1 more|Max Planck Institute for Plasma Physics|Sep 12, 2009

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 40被引用数 31

ひとこと要約

本研究は、太陽の表面全域における高空間分解能および高スペクトル分解能の酸素線観測と3次元太陽光球モデルを比較し、対流セルと円盤中心から縁端までの視線角の影響を検討する。観測値と予測値との間で線の強度、シフト、形状、非対称性について良好な一致が得られ、3次元モデルの信頼性が確認された。これにより、太陽の酸素同位体比を導出する際の妥当性が裏付けられ、NLTE計算における中性水素の衝突効率因子 $S_{\mathrm{H}}=1$ が支持される。

ABSTRACT

Aims: we seek to provide additional tests of the line formation of theoretical 3D solar photosphere models. In particular, we set out to test the spatially-resolved line formation at several viewing angles, from the solar disk-centre to the limb and focusing on atomic oxygen lines. The purpose of these tests is to provide additional information on whether the 3D model is suitable to derive the solar oxygen abundance. We also aim to empirically constrain the NLTE recipes for neutral hydrogen collisions, using the spatially-resolved observations of the OI 777 nm lines. Methods: using the Swedish 1-m Solar Telescope we obtained high-spatial-resolution observations of five atomic oxygen lines (along with lines for other species) for five positions on the solar disk. These observations have a high spatial and spectral resolution, and a continuum intensity contrast up to 9% at 615 nm. The theoretical line profiles were computed using the 3D model, with a full 3D NLTE treatment for oxygen and LTE for the other lines. Results: at disk-centre we find an excellent agreement between predicted and observed line shifts, strengths, FWHM and asymmetries. At other viewing angles the agreement is also good, but the smaller continuum intensity contrast makes a quantitative comparison harder. We use the disk-centre observations we constrain S_H, the scaling factor for the efficiency of collisions with neutral hydrogen. We find that S_H=1 provides the best match to the observations. Conclusions: overall there is a very good agreement between predicted and observed line properties over the solar granulation. This further reinforces the view that the 3D model is realistic and a reliable tool to derive the solar oxygen abundance.

研究の動機と目的

• 3次元太陽光球モデルが太陽の対流セルにわたる観測されたスペクトル線の性質をどれほど正確に再現できるかを検証すること。
• 3次元モデルが太陽の酸素同位体比を正確に決定するのに適しているかどうかを評価すること。
• 空間分解能のある酸素線を用いて、中性水素のNLTE衝突効率因子 $S_{\mathrm{H}}$ を実験的に制約すること。
• 視線角（円盤中心から縁端）が線形成およびモデルとの一致に与える影響を評価すること。
• NLTEモデルにおける対流セルと間対流領域の等価幅の変動に生じる乖離を調査すること。

提案手法

• スウェーデン1メートル太陽望遠鏡を用いて、5本の酸素線および複数のFe i線について、高空間分解能（0.1角秒未塔）の分光観測を実施した。
• 観測は、円盤中心（$\mu=1$）から縁端（$\mu \approx 0.2$）までの5つの位置で実施された。
• 理論的線プロファイルは、酸素に対して完全な3次元NLTE処理を施した3次元流体ダイナミクス的太陽モデルを用いて計算した。他の元素はLTE仮定を適用した。
• 等価幅、シフト、FWHM、非対称性といった線のパラメータを、対流セル領域および間対流領域で測定し、モデル予測と比較した。
• 円盤中心での観測線プロファイルに一致させるために、NLTE衝突効率因子 $S_{\mathrm{H}}$ をフィッティングによって制約した。
• 多項式フィットを用いて、連続スペクトル強度との等価幅の変化を分析し、$\gamma_{\rm{bright}}$ および $\gamma_{\rm{dark}}$ を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元太陽モデルは、円盤中心における太陽対流セル全域で、観測された線強度、シフト、形状を正確に再現できるか？
• RQ2 視線角が異なる場合、特に縁端付近において、3次元モデルは線の性質をどれほど正確に予測できるか？
• RQ3 NLTE線形成の文脈において、観測されたO i 777 nm線プロファイルに最もよく一致する $S_{\mathrm{H}}$ の値は何か？
• RQ4 なぜNLTEモデルでは、間対流領域における等価幅の強度依存性が観測値よりも急激に変化するのか？
• RQ5 高空間分解能の観測は、モデルと観測の間の線プロファイル非対称性の乖離を解消できるか？

主な発見

• 円盤中心では、ほとんどの酸素線および鉄線について、予測値と観測値との間で線強度、シフト、FWHM、非対称性に良好な一致が得られた。
• 他の視線角でも一致は良好であるが、光度対比が低下するため、定量的比較はやや困難である。
• NLTE衝突効率因子 $S_{\mathrm{H}}=1$ が、円盤中心における観測されたO i 777 nm線プロファイルに最もよく一致した。ただし、このテストは円盤中心から縁端への変化のテストほど信頼性は高くない。
• NLTEモデルの線プロファイルは観測値よりも狭く、観測線形状はより高い $S_{\mathrm{H}}$ 値を用いたモデルと一致する。これは、標準的なレシピで衝突率が低く見積もられている可能性を示唆している。
• 等価幅の強度依存性の乖離、特に間対流領域における乖離は、現在の $S_{\mathrm{H}}$ 計算が水素衝突の温度・圧力依存性を単純化している可能性を示唆している。
• 弱いO i 615.81 nm線ではNLTE効果がほとんど認められず、対流セル分解能のある測定においても、LTE予測からの有意なずれは見られなかった。