[論文レビュー] Solar Chemical Abundances Determined with a CO5BOLD 3D Model Atmosphere

E. Caffau, H.‐G. Ludwig+3 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Mar 5, 2010

Atmospheric and Environmental Gas Dynamics被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、太陽光球層の元素組成を再評価するために、CO5BOLD 3次元流体ダイナミクスモデル大気を用い、3次元効果は小さく、最近の太陽金属量の下方修正の原因ではないことが判明した。解析により、太陽金属量は Z = 0.0153 および Z/X = 0.0209 と得られ、分光測定と太陽地震学的制約が一致した。

ABSTRACT

In the last decade, the photospheric solar metallicity as determined from spectroscopy experienced a remarkable downward revision. Part of this effect can be attributed to an improvement of atomic data and the inclusion of NLTE computations, but also the use of hydrodynamical model atmospheres seemed to play a role. This "decrease" with time of the metallicity of the solar photosphere increased the disagreement with the results from helioseismology. With a CO5BOLD 3D model of the solar atmosphere, the CIFIST team at the Paris Observatory re-determined the photospheric solar abundances of several elements, among them C, N, and O. The spectroscopic abundances are obtained by fitting the equivalent width and/or the profile of observed spectral lines with synthetic spectra computed from the 3D model atmosphere. We conclude that the effects of granular fluctuations depend on the characteristics of the individual lines, but are found to be relevant only in a few particular cases. 3D effects are not reponsible for the systematic lowering of the solar abundances in recent years. The solar metallicity resulting from this analysis is Z=0.0153, Z/X=0.0209.

研究の動機と目的

• 太陽光球層の元素組成を最新の3次元流体ダイナミクスモデル大気を用いて再評価し、太陽地震学的データとの不一致を解消すること。
• 3次元対流効果が、1次元モデルと比較して分光的元素組成の決定に顕著に影響を及ぼすかどうかを特定すること。
• C、N、O、Fe、Os などの主要元素について、複数のデータソースにわたる整合性を高めた、更新された正確な元素組成を提供すること。
• 長年の「太陽元素組成問題」、特に金属量の不一致に関連して、3次元補正の役割を評価すること。

提案手法

• 時間に依存する3次元流体ダイナミクスモデル CO5BOLD を用い、5.6×5.6×2.27 Mm³ の領域に 140×140×150 グリッドポイントで空間分解能を確保した。
• 動的グランセーション効果を反映させるために、3次元モデルから得た19個の時系列的に分離されたスナップショットを用いて、合成スペクトルの合成を実施した。
• 3次元モデルの結果と1次元基準モデル（⟨3D⟩、1D_LHD、Holweger-Müller、ATLAS-9）の結果を比較し、3次元補正を分離した。
• 観測された太陽スペクトルと比較するため、3次元モデルから計算された合成スペクトルを用いて、等価幅法およびラインプロファイルフィッティング手法を適用した。
• 利用可能な非局所熱平衡（non-LTE）補正を適用し、高分解能太陽アトラス（例：Delbouille）を用いて妥当性を検証した。
• ブレンド効果を含めた重み付きスペクトルラインフィッティングを採用し、元素組成決定の精度を向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元対流効果は、1次元モデルと比較して、分光的に導かれる太陽元素組成にどの程度系統的（systematic）に影響を及ぼすか？
• RQ2 グランセーションにおける3次元効果が、過去10年間で観測された太陽金属量の下方修正の原因となっているとみるべきか？
• RQ3 3次元モデルから導かれた元素組成は、太陽地震学的制約および隕石値とどのように一致するか？
• RQ4 3次元モデルにおいて、ラインブレンドおよびプロファイル非対称性が元素組成決定に及ぼす影響は何か？
• RQ5 分光法と太陽地震学の結果を一致させるために、一貫性のある太陽金属量を3次元モデルから導出できるか？

主な発見

• 3次元モデルから得られた太陽金属量は Z = 0.0153 および Z/X = 0.0209 であり、Asplund et al. (2009) や Lodders (2009) が報告した値よりも高い。
• 3次元補正は小さく、ラインに依存するものであり、最近の太陽元素組成の下方修正を説明するような系統的傾向は認められなかった。
• 酸素の元素組成（A(O) = 8.76 ± 0.07）および鉄の元素組成（A(Fe) = 7.52 ± 0.06）は、太陽地震学的制約（A(O) = 8.86 ± 0.045、A(Fe) = 7.50 ± 0.048）と非常に良好に一致した。
• オスミウムの元素組成（A(Os) = 1.36 ± 0.19）は、1次元等価幅結果と一致しており、プロファイルフィッティングにおけるブレンドラインの組み込みも妥当であった。
• トリウムの元素組成（A(Th) = 0.08 ± 0.03）は、隕石の値と一致し、独立した基準との整合性が確認された。
• 解析の結果、3次元効果が金属量の不一致の原因ではないことが支持された。代わりに、再評価された金属量は、分光法と太陽地震学の結果をよりよく一致させた。