[論文レビュー] Self-broadening in Balmer line wing formation in stellar atmospheres

P. S. Barklem, N. Piskunov+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2000

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 4被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、多重極展開を用いず、ランデル＝ヴァン・ダール力による共鳴および分散誘導的相互作用を含めた、星の大気における水素線自己幅せきの洗練された量子力学的理論を提示する。分散誘導的寄与を含めることで、特に金属不足星において、合成されたBalmer線プロファイルと観測結果との一致が著しく向上し、古くはAli & Griem (1966)理論が無視していた分散誘導的相互作用の欠落により生じていた有効温度の決定に関する矛盾が解消される。

ABSTRACT

Details of a theory of self-broadening of hydrogen lines are presented. The main features of the new theory are that the dispersive-inductive components of the interaction (van der Waals forces) have been included, and the resonance components have been computed by perturbation theory without the use of the multipole expansion. The theory is applied to lower Balmer lines and the theoretical and observational impact of the new broadening theory is examined. It is shown that this theory leads to considerable differences in the predicted line profiles in cool stars when compared with previous theories which include only resonance interactions. In particular, the effect is found to be very important in metal poor stars. The theory provides a natural explanation for the behaviour of effective temperatures derived from Balmer lines by others using a theory which includes only resonance broadening. When applied to Balmer lines in the solar spectrum the theory predicts an improved agreement between observed and computed profiles for models which also match limb darkening curves and rules out a model which does not. However significant discrepancies still remain which could be due to inadequacies in our theory or the atmospheric model or both.

研究の動機と目的

• 星の大气における水素線自己幅せきのより正確な理論的枠組みの構築、特に冷却星において。
• 共鳴のみを考慮するAli & Griem (1966)理論の限界を是正すること。この理論は分散誘導的相互作用を無視しており、幅せきを2倍程度低く見積もっている。
• 観測されたBalmer線プロファイルと合成モデルとの整合性を高めること、特に金属不足星および太陽の光球層において。
• Balmer線プロファイルと照度勾配曲線の両方をよく再現するモデルの矛盾する妥当性を解消すること。
• Balmer線を診断手段として用いたより正確な有効温度の決定の基盤を提供すること。

提案手法

• 時間に依存する摂動論を用いた電子-原子相互作用の形式的量子力学的取り扱いにより、共鳴および分散誘導的寄与の両方を計算する。
• 分散誘導的相互作用としてのファンデルワールス力を組み込み、共鳴項において多重極展開を用いない。
• 金属量および温度構造が異なるモデル星の大気において、低次のBalmer線（Hα、Hβ、Hγ）に理論を適用する。
• 新しい幅せき理論を用いて線プロファイルを合成し、太陽および星の観測スペクトルと比較する。
• KOVER、HOLMUL、MARCS、ATLASの複数の大気モデルを用いて、照度勾配および線プロファイルデータとの整合性と頑健性を検証する。
• 線中心からのずれを変化させた場合の影響近似の妥当性を、合成プロファイルの比較によって評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 冷却星の大気において、分散誘導的相互作用は共鳴のみの寄与と比べて、Balmer線の自己幅せきにどのように影響を与えるか？
• RQ2 分散誘導的寄与を含めることで、太陽および金属不足星において合成されたBalmer線プロファイルと観測結果との一致はどの程度向上するか？
• RQ3 過去のモデルがBalmer線プロファイルと照度勾配曲線の両方をよく再現できないのはなぜか？これはAli & Griem (1966)理論に起因する。
• RQ4 新しい幅せき理論は、Balmer線から導かれる有効温度と他の手法（例：赤外線フラックス法）から得られる温度との不一致を解消できるか？
• RQ5 HαおよびHβに対して影響近似の有効範囲は何か？また、異なる大気条件におけるプロファイル合成にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 分散誘導的相互作用を含めることで、特にHαおよびHβの外側の線翼部における予測される強度が著しく増加し、観測結果との一致が向上する。
• HOLMULモデルに新しい理論を適用した場合、もともと照度勾配曲線と一致しなかったが、その不一致が解消される。
• 以前はBalmer線に適合していたが照度勾配と矛盾していたKNOVERモデルは、新しい理論を適用すると除外され、長年のモデルの矛盾が解消される。
• 金属不足星では、分散誘導的幅せきの効果が特に顕著であり、Ali & Griem (1966)理論を用いた場合に生じる異常な有効温度の導出を自然に説明できる。
• 太陽スペクトルにおいても、新しい理論は特に線翼部のプロファイル合成を改善し、照度勾配もよく再現するモデルを支持するが、残存する不一致は依然として存在する。
• 予備的な結果では、新しい理論を用いることで、Balmer線から導かれる有効温度と他の独立手法（例：赤外線フラックス法）から得られる温度との相関が、Ali & Griem (1966)法に比べて強くなる傾向が示唆される。