[論文レビュー] The solar photospheric nitrogen abundance. Analysis of atomic transitions with 3D and 1D model atmospheres

E. Caffau, E. Maiorca+6 more|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|Mar 19, 2009

Atmospheric Ozone and Climate参考文献 29被引用数 69

ひとこと要約

本研究では、非局所熱力学的平衡（NLTE）および対流セルの効果を考慮した3次元流体ダイナミクス（CO 5 BOLD）および1次元モデル大気を用いて、原子線スペクトル線を分析することで太陽光球層の窒素含有量を決定した。著者らはA(N) = 7.86 ± 0.12を提唱し、更新された酸素およびネオン含有量と組み合わせることで、太陽の金属量Z = 0.0156およびZ/X = 0.0213が得られた。これは、光球層含有量がヘルモセイズミック制約とより良好に一致するようにした。

ABSTRACT

CONTEXT: In recent years, the solar chemical abundances have been studied in considerable detail because of discrepant values of solar metallicity inferred from different indicators, i.e., on the one hand, the "sub-solar" photospheric abundances resulting from spectroscopic chemical composition analyses with the aid of 3D hydrodynamical models of the solar atmosphere, and, on the other hand, the high metallicity inferred by helioseismology. AIMS: After investigating the solar oxygen abundance using a CO5BOLD 3D hydrodynamical solar model in previous work, we undertake a similar approach studying the solar abundance of nitrogen, since this element accounts for a significant fraction of the overall solar metallicity, Z. METHOD: We used a selection of atomic spectral lines to determine the solar nitrogen abundance, relying mainly on equivalent width measurements in the literature. We investigate the influence on the abundance analysis, of both deviations from local thermodynamic equilibrium ("NLTE effects") and photospheric inhomogeneities ("granulation effects"). RESULTS: We recommend use of a solar nitrogen abundance of A(N)=7.86+-0.12 whose error bar reflects the line-to-line scatter. CONCLUSION: The solar metallicity implied by the CO5BOLD-based nitrogen and oxygen abundances is in the range 0.0145<= Z <= 0.0167. This result is a step towards reconciling photospheric abundances with helioseismic constraints on Z. Our most suitable estimates are Z=0.0156 and Z/X=0.0213.

研究の動機と目的

• 高分解能スペクトルアトラスを用いた原子窒素線の分析を通じて、高精度な3次元モデル大気を用いて太陽光球層の窒素含有量を決定すること。
• 非局所熱力学的平衡（NLTE）効果および光球層の対流セル（granulation）効果が窒素含有量の決定に与える影響を評価すること。
• 光球層含有量の決定値と太陽の金属量（Z）に関するヘルモセイズミック制約を一致させること。
• 現在の太陽スペクトルアトラスの整合性を評価し、線測定における系統的不確実性を特定すること。
• 既知の炭素およびネオン値と組み合わせ、更新されたN、O、Ne含有量を用いて太陽の金属量を信頼性の高い推定値として提示すること。

提案手法

• 高分解能太陽スペクトルアトラスからの等価幅測定を用いた原子窒素線の分析。
• CO 5 BOLDを用いた3次元流体ダイナミクス的太陽大気モデルを用いて放射線輸送および線形成を計算すること。
• 局所熱力学的平衡からの逸脱を補正するための非局所熱力学的平衡（NLTE）補正を導入すること。
• 3次元および1次元モデル大気の結果を比較することで、大気の不均一性（対流セル効果）の影響を定量化すること。
• 線ごとの含有量の散らばりに基づく系統的誤差推定を実施し、最終的な不確実性を導出すること。
• 得られた窒素含有量を文献値の酸素、ネオン、炭素と組み合わせ、太陽の全金属量（Z）およびZ/Xを計算すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元モデル大気とNLTE補正を用いて分析した場合の太陽光球層窒素含有量は何か？
• RQ2 対流セル効果および非局所熱力学的平衡からの逸脱が導かれる窒素含有量にどのように影響を与えるか？
• RQ3 更新された窒素含有量は、光球層とヘルモセイズミックの金属量推定値の乖離をどの程度軽減するか？
• RQ4 歴史的な太陽スペクトルアトラス間の不一致は、含有量決定にどのような影響を及えるか？
• RQ5 酸素、ネオン、炭素の既知の値と組み合わせた場合、新しい窒素含有量から得られる太陽の金属量（Z）は何か？

主な発見

• 推奨される太陽光球層窒素含有量はA(N) = 7.86 ± 0.12であり、線ごとの散らばりと3次元およびNLTE効果を反映している。
• 3次元モデル大気は1次元モデルと比較して窒素含有量を低減するが、以前の予想よりも小さい差異が生じる。
• 本研究では、歴史的な太陽スペクトルアトラス間に顕著な不一致が特定され、ノイズレベルを超える系統的不確実性が生じていることが明らかになった。
• 新しいNおよびO含有量とGrevesse & Sauval (1998)のNeおよびCの値を組み合わせた場合、太陽の金属量はZ = 0.0156およびZ/X = 0.0213となった。
• この金属量範囲（0.0145 ≤ Z ≤ 0.0167）は、Z ≈ 0.017–0.024と推定されるヘルモセイズミック制約とより良好に一致しており、光球層含有量とヘルモセイズミック金属量の乖離が改善された。
• 結果から、光球層とヘルモセイズミックの金属量推定値の間の矛盾は顕著に軽減されたが、完全には解消されていないことが示唆された。