[論文レビュー] The photospheric solar oxygen project: III. Investigation of the centre-to-limb variation of the 630nm [OI]-NiI blend

E. Caffau, H.‐G. Ludwig+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2015

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 38被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、3次元流体力学的モデルを用いて太陽スペクトルにおける630 nm [O I]-Ni I混合線の中心対縁変化を調査し、酸素とニッケルの寄与を分離する。低いニッケル分圧（A(Ni) ≈ 6.1）を仮定した場合、縁角にわたって一貫した酸素分圧（A(O) = 8.73 ± 0.05）が得られ、低レベルの太陽酸素分圧を支持するが、636 nm線とは0.06 dexの持続的差異が残存する。

ABSTRACT

The solar photospheric abundance of oxygen is still a matter of debate. For about ten years some determinations have favoured a low oxygen abundance which is at variance with the value inferred by helioseismology. Among the oxygen abundance indicators, the forbidden line at 630nm has often been considered the most reliable even though it is blended with a NiI line. In Papers I and Paper II of this series we reported a discrepancy in the oxygen abundance derived from the 630nm and the subordinate [OI] line at 636nm in dwarf stars, including the Sun. Here we analyse several, in part new, solar observations of the the centre-to-limb variation of the spectral region including the blend at 630nm in order to separate the individual contributions of oxygen and nickel. We analyse intensity spectra observed at different limb angles in comparison with line formation computations performed on a CO5BOLD 3D hydrodynamical simulation of the solar atmosphere. The oxygen abundances obtained from the forbidden line at different limb angles are inconsistent if the commonly adopted nickel abundance of 6.25 is assumed in our local thermodynamic equilibrium computations. With a slightly lower nickel abundance, A(Ni)~6.1, we obtain consistent fits indicating an oxygen abundance of A(O)=8.73+/-0.05. At this value the discrepancy with the subordinate oxygen line remains. The derived value of the oxygen abundance supports the notion of a rather low oxygen abundance in the solar hotosphere. However, it is disconcerting that the forbidden oxygen lines at 630 and 636nm give noticeably different results, and that the nickel abundance derived here from the 630nm blend is lower than expected from other nickel lines.

研究の動機と目的

• 630 nm [O I]線と636 nm [O I]線からの太陽酸素分圧の乖離を、630 nm混合線の中心対縁変化を分析することで解消すること。
• 高分解能太陽観測を用いて、630 nmスペクトル混合線における酸素とニッケルの個別寄与を特定すること。
• 異なる縁角における一貫性をテストすることで、630 nm禁制線を太陽酸素分圧の指標としての信頼性を評価すること。
• 630 nm線と636 nm線の間で観測された酸素分圧の不一致が、誤ったニッケル分圧の仮定かモデルの限界に起因するかを調査すること。
• 3D CO5BOLD太陽大気モデルが太陽円盤全域で観測された線幅関数をどれだけ正確に再現できるかを評価すること。

提案手法

• VTT、SST、THEMIS、Hinodeを含む機器を用いて、複数の縁角（μ）における高分解能太陽強度スペクトルを取得する。
• 観測されたスペクトル幅関数と、3次元CO5BOLD流体力学的太陽大気モデルから計算された合成幅関数を比較する。
• 異なるニッケル分圧（A(Ni)）を用いた局所熱的平衡（LTE）放射移動計算を実行し、観測された混合線に適合させる。
• 630 nm線からの酸素分圧の不確実性を推定するためにモンテカルロシミュレーションを適用する。
• 観測された等価幅と幅関数形状に一致させるために、Ni I線の遷移確率（log gf）を調整する。
• 特に高分解能VTTデータにおける合成線幅拡大効果を評価し、モデルの速度場の正確性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 630 nm [O I]-Ni I混合線の中心対縁変化が、酸素とニッケルの寄与を信頼性高く分離可能か？
• RQ2 異なる縁角にわたって一貫した酸素分圧測定を達成するには、どの程度のニッケル分圧が必要か？
• RQ3 両者とも禁制遷移であるにもかかわらず、630 nm線から導かれる酸素分圧と636 nm線から導かれる酸素分圧がなぜ異なるのか？
• RQ4 3次元流体力学的モデルが、特に高分解能で観測された線幅関数をどの程度正確に再現できるか？
• RQ5 高分解能観測と比較して、合成幅関数に観測される幅拡大は、特に縁付近で何によって引き起こされるのか？

主な発見

• 酸素分圧が異なる縁角にわたって一貫しているのは、標準値の6.25ではなく、低いニッケル分圧（A(Ni) ≈ 6.1）を仮定した場合に限る。
• 導出された酸素分圧は A(O) = 8.73 ± 0.05 であり、光球における低レベルの太陽酸素分圧を支持する。
• 3次元モデルからの合成線幅関数は、特に高分解能VTTデータにおいて、観測値よりも系統的に広がっており、モデル内の速度場が過大評価されている可能性を示唆する。
• 低縁角（μ < 0.2）における観測スペクトルは、モデルによってうまく再現されていない。これは太陽の球形対称性とコロナ層効果を無視しているためとされる。
• 再評価されたNi分圧を用いることで、630 nm線と636 nm線からの酸素分圧の乖離は0.06 dexにまで縮小されたが、依然として説明がつかない。
• 630 nm混合線におけるNi I線の寄与は、log gf = 4.00 で最もよく適合し、従来の仮定よりも低い分圧であることを示唆する。