[論文レビュー] Stellar laboratories II. New Zn IV and Zn V oscillator strengths and their validation in the hot white dwarfs G191-B2B and RE0503-289

T. Rauch, K. Werner+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 6被引用数 19

ひとこと要約

本論文では、配置相互作用を用いたハートリー＝フォック法を用いて、Zn ivおよびZn vの新しい計算された遷移強度を提示しており、紫外線スペクトルの正確な非局所熱平衡（non-LTE）モデリングを可能にしている。改良された原子データは、高温の白色矮星G191-B2B（log Zn = -5.52 ± 0.2）における31本のZn ivおよび16本のZn v線、およびRE 0503-289（log Zn = -3.57 ± 0.2）における128本のZn v線を正確に再現した。これにより、亜鉛の非常に太陽系を超える存在比が確認され、新しい原子データの星間存在比分析への信頼性が裏付けられた。

ABSTRACT

For the spectral analysis of high-resolution and high-signal-to-noise spectra of hot stars, state-of-the-art non-local thermodynamic equilibrium (NLTE) model-atmospheres are mandatory. These are strongly dependent on the reliability of the atomic data that is used for their calculation. In a recent analysis of the ultraviolet (UV) spectrum of the DA-type white dwarf G191-B2B, 21 Zn IV lines were newly identified. Because of the lack of Zn IV data, transition probabilities of the isoelectronic Ge VI were adapted for a first, coarse determination of the photospheric Zn abundance. We performed new calculations of Zn IV and Zn V oscillator strengths to consider their radiative and collisional bound-bound transitions in detail in our NLTE stellar-atmosphere models for the analysis of the Zn IV - V spectrum exhibited in high-resolution and high-S/N UV observations of G191-B2B and RE0503-289. In the UV spectrum of G191-B2B, we identify 31 Zn IV and 16 Zn V lines. Most of these are identified for the first time in any star. We can reproduce well almost all of them at log Zn = -5.52 +/- 0.2 (mass fraction, about 1.7 times solar). In particular, the Zn IV / Zn V ionization equilibrium, which is a very sensitive indicator for the effective temperature, is well reproduced with the previously determined Teff = 60000 +/- 2000 and log g = 7.60 +/- 0.05. In the spectrum of RE0503-289, we identified 128 Zn V lines for the first time and determined log Zn = -3.57 +/- 0.2 (155 times solar). Reliable measurements and calculations of atomic data are a pre-requisite for stellar-atmosphere modeling. Observed Zn IV and Zn V line profiles in two white dwarf (G191-B2B and RE0503-289) ultraviolet spectra were well reproduced with our newly calculated oscillator strengths. This allowed us to determine the photospheric Zn abundance of these two stars precisely.

研究の動機と目的

• Zn ivおよびZn vの信頼できる原子データの不足が、これまでの高温星における光球存在比の正確な決定を制限していたことに対処する。
• DA型白色矮星G191-B2Bおよびより高温のDO型白色矮星RE 0503-289における亜鉛存在比の測定精度を向上させること。
• 高分解能紫外線スペクトルにおける観測されたZn ivおよびZn v線プロファイルの再現を通じて、新たに計算された遷移強度の妥当性を検証すること。
• 特に、鉄より重い元素が極めて豊富に存在するRE 0503-289において、新たなZn線を同定すること。
• 正確な原子データが、信頼性の高い非局所熱平衡星間大気モデリングおよびイオン化平衡解析に不可欠であることを示すこと。

提案手法

• 関連する配置に対して、擬相対論的ハートリー＝フォック（HFR）法を用い、配置相互作用を組み込んだZn ivおよびZn vの遷移強度を計算した。
• Sugar & Musgrove（1995）の実験的エネルギー準位に一致させるために、最小二乗法によるフィッティングを用いて、径方向積分および有効相互作用パラメータを最適化した。
• G191-B2B（Teff = 60,000 K、log g = 7.60）およびRE 0503-289（Teff = 70,000 K、log g = 7.50）の非局所熱平衡星間大気モデルに、新しい遷移強度を適用した。
• ハッブル宇宙望遠鏡およびFUSEの高信噪比紫外線スペクトルと合成線プロファイルを一致させることで、Znの存在比を制約した。
• Zn ivとZn vのイオン化平衡を有効温度の感受性の高い診断として用い、モデル大気パラメータの妥当性を検証した。
• HFR計算におけるキャンセレーション係数（CF）を用いて、線プロファイルの再現性を評価し、混合やキャンセレーション効果を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 新たに計算されたZn ivおよびZn vの遷移強度は、高温白色矮星における光球状態の亜鉛存在比の決定精度を向上させることができるか？
• RQ2 新しい原子データは、G191-B2BおよびRE 0503-289の高分解能紫外線スペクトルにおける観測されたZn ivおよびZn v線プロファイルをどの程度正確に再現できるか？
• RQ3 Zn ivとZn vのイオン化平衡は、これらの星の有効温度を一貫的かつ信頼性を持って制約することができるか？
• RQ4 改善された原子データを用いることで、これらの白色矮星の紫外線スペクトルにまだ同定されていなかったZn線はいくつ検出され、確認できるか？
• RQ5 RE 0503-289における高いZn存在比は、この金属豊富な白色矮星における他の鉄より重い元素（Ge、Kr、Xeなど）の存在比と整合するか？

主な発見

• 新たに計算されたZn ivおよびZn vの遷移強度は、G191-B2Bの紫外線スペクトルにおいて31本のZn ivおよび16本のZn v線を正確に再現した。光球状態のZn存在比はlog Zn = -5.52 ± 0.2（太陽の1.7倍）であった。
• 以前に決定された有効温度60,000 ± 2,000 Kおよびlog g = 7.60 ± 0.05を用いたZn iv / Zn vのイオン化平衡が良好に再現され、モデル大気パラメータの妥当性が裏付けられた。
• RE 0503-289では、128本のZn v線が初めて同定され、Zn存在比はlog Zn = -3.57 ± 0.2（太陽の約155倍）と決定された。
• RE 0503-289における非常に太陽系を超えるZn存在比は、Ge（太陽の650倍）、Kr（太陽の450倍）、Xe（太陽の3,800倍）といった他の鉄より重い元素の存在比と整合的であった。
• キャンセレーション係数（CF）分析から、非常に少ない遷移が強いキャンセレーション効果を受けることが示され、計算された遷移強度の大部分が信頼できることが示された。
• 本研究は、正確な原子データが、高温で金属豊富な白色矮星における高精度な非局所熱平衡モデリングおよび存在比決定に不可欠であることを確認した。