[論文レビュー] The photospheric solar oxygen project: IV. 3D-NLTE investigation of the 777 nm triplet lines

M. Steffen, D. Prakapavičius+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2015

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 31被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、太陽光球層の酸素分圧を、O I 777 nm三重線の3次元非局所熱平衡（non-LTE）放射移動モデルを用いて再評価した。高分解能の中心縁移動太陽スペクトルを分析し、3D非局所熱平衡での酸素分圧はA(O) = 8.76 ± 0.02 dexであると判明した。中性水素による衝突励起には、S_H ≈ 1.6のスケーリング係数が必要であり、1次元（1D）モデルでは微乱動の仮定が不適切であるため、系統的に低い分圧が得られる。

ABSTRACT

The solar photospheric oxygen abundance is still widely debated. Adopting the solar chemical composition based on the "low" oxygen abundance, as determined with the use of three-dimensional (3D) hydrodynamical model atmospheres, results in a well-known mismatch between theoretical solar models and helioseismic measurements that is so far unresolved. We carry out an independent redetermination of the solar oxygen abundance by investigating the center-to-limb variation of the OI IR triplet lines at 777 nm in different sets of spectra with the help of detailed synthetic line profiles based on 3D hydrodynamical CO5BOLD model atmospheres and 3D non-LTE line formation calculations with NLTETD. The idea is to simultaneously derive the oxygen abundance,A(O), and the scaling factor SH that describes the cross-sections for inelastic collisions with neutral hydrogen relative the classical Drawin formula. The best fit of the center-to-limb variation of the triplet lines achieved with the CO5BOLD 3D solar model is clearly of superior quality compared to the line profile fits obtained with standard 1D model atmospheres. Our best estimate of the 3D non-LTE solar oxygen abundance is A(O) = 8.76 +/- 0.02, with the scaling factor SH in the range between 1.2 and 1.8. All 1D non-LTE models give much lower oxygen abundances, by up to -0.15 dex. This is mainly a consequence of the assumption of a $μ$-independent microturbulence.

研究の動機と目的

• 1次元局所熱平衡（1D-LTE）モデルから得られる低酸素分圧が、理論的太陽モデルとヘルモセイズミック観測の間の長年の不一致を解消できないことに対処する。
• 3次元流体力学的モデル大気と非局所熱平衡線形成を用いて、太陽光球層の酸素分圧を再決定し、光球層内の空間的および速度的構造を考慮する。
• O I 777 nm三重線に対する中性水素（H）との非弾性衝突の役割を、自己一貫的な方法でスケーリング係数S_Hを決定することで調査する。
• 3次元非局所熱平衡（non-LTE）結果と1次元モデル、およびHolweger-Müller基準モデルを比較し、簡素化された大気仮定によって生じる系統的バイアスを評価する。
• 777 nm三重線からの酸素分圧が、異なる観測データセットおよび分析手法（線幅フィッティング対等価幅フィッティング）において一貫しているかどうかを評価し、現在の分圧決定における不確実性の原因を同定する。

提案手法

• スウェーデン1m太陽望遠鏡（ラ・パルマ）およびバキューム太陽望遠鏡（キット・ピーク）から得られた高分解能・高信号対雑音比の中心縁移動太陽スペクトルを用いる。
• 太陽光球層をシミュレートするため、3次元流体力学的CO5BOLDモデル大気を適用し、現実的な対流運動と温度不均一性を含む。
• NLTE3Dコードを用いて3次元非局所熱平衡放射移動計算を実施し、局所熱平衡からの逸脱を考慮したO I 777 nm三重線の合成線幅を算出する。
• 複数の縁距離（μ）における観測線幅を同時にχ²最小化でフィッティングし、酸素分圧A(O)と衝突スケーリング係数S_Hの両方を導出する。
• 2つの独立したフィッティング戦略を用いる：(1) 全ての縁距離にわたる直接線幅フィッティング、(2) 等価幅フィッティング。両者の結果の一貫性を検証する。
• 微乱動仮定が不適切である1次元モデル大気（Holweger-Müllerおよび標準1次元モデルを含む）との比較により、1次元モデルの影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 O I 777 nm三重線の3次元非局所熱平衡効果および中心縁移動の変化を一貫してモデル化した場合、太陽光球層の酸素分圧はどの程度か？
• RQ2 中性水素との非弾性衝突のスケーリング係数S_Hは、線幅合成および分圧決定にどのように影響を与えるか？
• RQ3 なぜ1次元モデル大気が3次元モデルと比較して系統的に低い酸素分圧を示すのか？そのバイアスの原因は何か？
• RQ4 異なる観測データセットおよび分析手法（線幅対等価幅フィッティング）が、導出された酸素分圧についてどの程度一致するか？
• RQ5 3次元非局所熱平衡解析により、より高い酸素分圧をもたらすことで、ヘルモセイズミック観測と理論的太陽モデルの不一致を解消できるか？

主な発見

• 最良の3次元非局所熱平衡モデルでは、複数の縁距離における線幅を同時にフィッティングした結果、太陽酸素分圧はA(O) = 8.76 ± 0.02 dexとなった。
• 中性水素に対する最適な衝突スケーリング係数はS_H = 1.6 ± 0.2であり、古典的Drawin式の予測よりも衝突が効率的であることを示している。
• 1次元モデル大気では、3次元モデルと比較して顕著に悪い線幅フィッティングが得られ、系統的に低い酸素分圧が得られ、バイアスは最大-0.15 dexに達する。
• 1次元モデルにおけるμに依存しない微乱動仮定が、主な原因であると特定され、太陽光球層の真の速度構造を捉えられていない。
• 異なるスペクトルおよびフィッティング手法から得られた3次元非局所熱平衡結果は、すべて8.74 < A(O) < 8.78の狭い範囲に収まり、高い内部一貫性を確認した。
• 本研究は、CO5BOLD 3次元モデルの観点から、A(O) < 8.70 dexの太陽酸素分圧は今や極めて不自然であると結論づけ、太陽モデルとヘルモセイズミック観測の不一致を解消するのに必要な高い値を支持する。