[論文レビュー] The Stagger-grid: A Grid of 3D Stellar Atmosphere Models - II. Horizontal and Temporal Averaging and Spectral Line Formation

Z. Magic, R. Collet+2 more|Jul 11, 2013

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 26被引用数 34

ひとこと要約

本稿は、Stagger-gridの3次元星間大気モデルにおけるさまざまな平均化手法の評価を行い、それらがLTEにおけるスペクトル線形成に与える影響を検討している。その結果、質量密度に基づく平均化（$ less\mathrm{3D} angle_m$）が、完全な3次元線強度を最もよく再現することが判明した。一方、光学的厚さに基づく平均化（$ less\mathrm{3D} angle_\tau$）は、非線形な吸収率効果と金属量が少ない星における逆転した粒状構造の影響により、性能が著しく劣ることがわかった。特に、低励起エネルギーのFe I線に対して顕著である。

ABSTRACT

We study the implications of averaging methods with different reference depth scales for 3D hydrodynamical model atmospheres computed with the Stagger-code. The temporally and spatially averaged (hereafter denoted as <3D>) models are explored in the light of local thermodynamic equilibrium (LTE) spectral line formation by comparing spectrum calculations using full 3D atmosphere structures with those from <3D> averages. We explore methods for computing mean <3D> stratifications from the Stagger-grid time-dependent 3D radiative hydro- dynamical atmosphere models by considering four different reference depth scales (geometrical depth, column-mass density, and two optical depth scales). Furthermore, we investigate the influence of alternative averages (logarithmic or enforced hydrostatic equilibrium, flux-weighted temperatures). For the line formation we compute curves of growth for Fe i and Fe ii lines in LTE . The resulting <3D> stratifications for the four reference depth scales can be considerably different. We find typically that in the upper atmosphere and in the superadiabatic region just below the optical surface, where the temperature and density fluctuations are highest, the differences become considerable and increase for higher Teff, lower logg, and lower [Fe/H]. The differential comparison of spectral line formation shows distinctive differences depending on which <3D> model is applied. The averages over layers of constant column-mass density yield the best mean <3D> representation for LTE line formation, while the averages on layers at constant geometrical height are the least appropriate. Unexpectedly, the usually preferred averages over layers of constant optical depth are prone to the increasing interference of the reversed granulation towards higher effective temperature, in particular at low metallicity.

研究の動機と目的

• 異なる基準深さスケール（幾何学的高さ、質量密度、光学的厚さ）が、時間的・空間的平均化された3次元星間大気モデルに与える影響を評価すること。
• Fe IおよびFe II線のLTEにおけるスペクトル線形成特性を最もよく保持する平均化手法を特定すること。
• 金属量が少ない星における逆転した粒状構造の役割と、それが平均化手法に与える影響を調査すること。
• $\langle\mathrm{3D}\rangle$モデルをスペクトル解析および星のパラメータ決定に最適に使用するための提言を提供すること。
• 1次元モデルの限界と、金属量が少ない星に対して$\langle\mathrm{3D}\rangle$モデルがどれほど適しているかを評価すること。

提案手法

• 幾何学的高さ、質量密度、2種類のローゼンダールに類似した光学的厚さスケールの4つの基準深さスケールを用いて$\langle\mathrm{3D}\rangle$の構造を計算した。
• Stagger-gridの時間依存3次元RHDモデルを、$T_{\mathrm{eff}}$、$\log g$、$[\mathrm{Fe}/\mathrm{H}]$の範囲にわたり、時間的および空間的平均化を適用した。
• 完全な3次元モデルと各$\langle\mathrm{3D}\rangle$バージョンを用いて、Fe IおよびFe II線のLTEスペクトル線形成計算を実施した。
• 完全な3次元モデルと$\langle\mathrm{3D}\rangle$モデルとの間で線幅および成長曲線を比較し、差異を定量化した。
• 光学的厚さ定義における非線形吸収率効果が、平均化モデルの統計的性質に与える影響を分析した。
• 対数平均、フラックス重み付き温度、強制的静水圧平衡といった代替平均化手法を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる基準深さスケール（幾何学的高さ、質量密度、光学的厚さ）は、完全な3次元大気構造を再現する$\langle\mathrm{3D}\rangle$モデルの正確さにどのように影響するか？
• RQ2 なぜ光学的厚さに基づく平均化（$ less\mathrm{3D}\rangle_\tau$）が、質量密度に基づく平均化（$ less\mathrm{3D}\rangle_m$）よりもスペクトル線形成において劣るのか？
• RQ3 金属量が少ない星における逆転した粒状構造は、特に一定光学的厚さで平均化された$\langle\mathrm{3D}\rangle$モデルの統計的性質にどのように影響するか？
• RQ4 1次元MLTモデルは、完全な3次元モデルや$\langle\mathrm{3D}\rangle$モデルと比較して、金属量が少ない星のスペクトル線強度をどれほど正確に再現できないか？
• RQ5 Stagger-gridの$\langle\mathrm{3D}\rangle$モデルを用いたスペクトル合成において、最適な平均化手法は何か？

主な発見

• 質量密度に基づく$\langle\mathrm{3D}\rangle$平均化（$ less\mathrm{3D}\rangle_m$）が、特に低励起エネルギーのFe I線に対して、完全な3次元スペクトル線強度に最も近い一致を示した。
• 光学的厚さに基づく平均化（$ less\mathrm{3D}\rangle_\tau$）は、非線形な吸収率効果と上層大気における逆転した粒状構造の強化されたサンプリングの影響により、著しく精度が低いことが判明した。
• $\langle\mathrm{3D}\rangle_\tau$の性能は、$T_{\mathrm{eff}}$が上昇し、$[\mathrm{Fe}/\mathrm{H}]$が低下するにつれて悪化し、特に金属量が少ないモデルに顕著に影響を及ぼした。
• 幾何学的高さに基づく平均化（$ less\mathrm{3D}\rangle_z$）は、スペクトル線形成において最も不適切であったが、静水圧平衡を保ち、星震動学的解析には有用である。
• 完全な3次元モデルと$\langle\mathrm{3D}\rangle_\tau$モデルとの差異は、金属量が少ない星における低励起エネルギーの鉄中性線に対して最も顕著に現れた。
• 1次元MLTモデルは、太陽の金属量ではある程度良好に機能するが、金属量が少ない星では系列表現の誤差を生じさせ、3次元に基づく補正の必要性を浮き彫りにした。