[論文レビュー] Stellar laboratories. VIII. New Zr IV - VII, Xe IV - V, and Xe VII oscillator strengths and the Al, Zr, and Xe abundances in the hot white dwarfs G191-B2B and RE0503-289

T. Rauch, Sébastien Gamrath+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 37被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、Zr IV–VII、Xe IV–V、およびXe VIIの新しい非局所熱力学的平衡（NLTE）遷移強度を提示し、熱い白色矮星（RE0503-289）におけるジルコニウムの初回検出を可能にした。測定されたジルコニウムの同位体比は log ε(Zr) = −3.5 ± 0.2（太陽比で約11,500倍）であった。また、キセノンの同位体比も−3.9 ± 0.2（太陽比で約7,500倍）まで高精度に特定された。一方、G191-B2Bにおけるジルコニウムおよびキセノンの上界は、高信号対雑音比のUV分光データを用いて確立された。本研究は、熱い星のNLTE星間大気モデルにおける正確な原子データの重要性を示している。

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. To search for Zr and Xe lines in the ultraviolet (UV) spectra of G191-B2B and RE0503-289, new Zr IV-VII, Xe IV-V, and Xe VIII oscillator strengths were calculated. This allows for the first time, determination of the Zr abundance in white dwarf (WD) stars and improvement of the Xe abundance determinations. We calculated Zr IV-VII, Xe IV-V, and Xe VIII oscillator strengths to consider radiative and collisional bound-bound transitions of Zr and Xe in our NLTE stellar-atmosphere models for the analysis of their lines exhibited in UV observations of the hot WDs G191-B2B and RE0503-289. We identified one new Zr IV, 14 new Zr V, and ten new Zr VI lines in the spectrum of RE0503-289. Zr was detected for the first time in a WD. We measured a Zr abundance of -3.5 +/- 0.2 (logarithmic mass fraction, approx. 11 500 times solar). We dentified five new Xe VI lines and determined a Xe abundance of -3.9 +/- 0.2 (approx. 7500 times solar). We determined a preliminary photospheric Al abundance of -4.3 +/- 0.2 (solar) in RE0503-289. In the spectra of G191-B2B, no Zr line was identified. The strongest Zr IV line (1598.948 A) in our model gave an upper limit of -5.6 +/- 0.3 which is about 100 times solar. No Xe line was identified in the UV spectrum of G191-B2B and we confirmed the previously determined upper limit of -6.8 +/- 0.3 (ten times solar). Precise measurements and calculations of atomic data are a prerequisite for advanced NLTE stellar-atmosphere modeling. Observed Zr IV - VI and Xe VI - VII line profiles in the UV spectrum of RE0503-289 were simultaneously well reproduced.

研究の動機と目的

• ZrおよびXeイオンの新しい信頼性の高い遷移強度を提供することで、熱い白色矮星における元素同位体比の決定精度を向上させること。
• 高分解能UV分光法と高度なNLTEモデルを用いて、白色矮星におけるジルコニウムの初回検出を可能にすること。
• 新しい分光線の同定と原子データの改善を通じて、熱い白色矮星におけるキセノン同位体比の測定精度を高めること。
• 高信号対雑音比のUV分光データを用いて、G191-B2BにおけるZrおよびXeの正確な上界を確立すること。
• 複数のイオン化状態を同時にフィッティングすることで、観測された線幅プロファイルがNLTEモデル大気と整合することを検証すること。

提案手法

• 高度な原子構造計算を用いて、Zr IV–VII、Xe IV–V、およびXe VIIIの新しい遷移強度を計算した。
• 非局所熱力学的平衡（NLTE）星間大気モデルを用いて、熱い白色矮星における分光線形成を模擬した。
• G191-B2BおよびRE0503-289の高分解能・高信号対雑音比UV分光データを分析し、ZrおよびXeの分光線を同定・フィッティングした。
• 合成スペクトルフィッティングを用いて、観測された線幅プロファイルと一致させ、元素同位体比を導出した。
• モデル予測と観測された線幅プロファイルを比較することで、新しい原子データの信頼性を検証した。
• 誤差解析を適用し、分光フィッティングおよびデータ品質に基づいて同位体比の不確実性を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱い白色矮星RE0503-289におけるジルコニウムの同位体比は何か？ また、改善された原子データを用いることで、初めて検出可能になるか？
• RQ2 Xe IV–VおよびXe VIIの新しい遷移強度は、熱い白色矮星におけるキセノン同位体比の決定精度をどの程度向上させるか？
• RQ3 白色矮星G191-B2Bにおけるジルコニウムおよびキセノンの上界は何か？ また、それらは以前の推定値とどのように比較されるか？
• RQ4 RE0503-289におけるZr IV–VIおよびXe VI–VIIの観測線幅プロファイルは、新しい原子データを用いて生成された合成スペクトルとどの程度一致するか？
• RQ5 NLTEモデルに改善された原子データを組み込むことで、熱い星の大気における元素同位体比決定の信頼性はどの程度向上するか？

主な発見

• ジルコニウムは白色矮星で初めて検出された。RE0503-289における測定同位体比は log ε(Zr) = −3.5 ± 0.2 であり、太陽比で約11,500倍に相当する。
• RE0503-289で15本の新しいZr線が同定された：Zr IVが1本、Zr Vが14本、Zr VIが10本。これらはいずれも導出された同位体比と整合的であった。
• RE0503-289におけるキセノン同位体比は、5本の新しいXe VI線に基づき、log ε(Xe) = −3.9 ± 0.2 と決定された。これは太陽比で約7,500倍に相当する。
• G191-B2BではZr線が検出されず、上界として log ε(Zr) < −5.6 ± 0.3（太陽比で約100倍）が得られた。
• G191-B2BではXe線が同定されず、以前に確立された上界 log ε(Xe) < −6.8 ± 0.3（太陽比で約10倍）が確認された。
• RE0503-289におけるZr IV–VIおよびXe VI–VIIの観測線幅プロファイルは、NLTE合成スペクトルによって同時に良好に再現された。これにより、新しい原子データおよびモデリング手法の妥当性が検証された。