[論文レビュー] Three-dimensional hydrodynamical CO5BOLD model atmospheres of red giant stars. IV. Oxygen diagnostics in extremely metal-poor red giants with infrared OH lines

V. Dobrovolskas, A. Kučinskas+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 40被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、赤方偏移OH線における対流効果を補正することで、極もくもく金属量の低い赤超巨星における酸素分圧の決定が著しく改善されることを示している。3D水力学的CO5BOLDモデル大気を適用した場合、−0.2〜−0.3 dexの3D補正が、OH線に基づく酸素分圧を[O I] 630 nm線の結果と強く整合させる。これは長年の不一致を解消し、3Dモデルを用いることで赤外OH線がEMP星における信頼できる酸素指標として有効であることを裏付けている。

ABSTRACT

Context. Although oxygen is an important tracer of Galactic chemical evolution, measurements of its abundance in the atmospheres of the oldest Galactic stars are still scarce and rather imprecise. At the lowest end of the metallicity scale, oxygen can only be measured in giant stars and in most of cases such measurements rely on a single forbidden [O I] 630 nm line that is very weak and frequently blended with telluric lines. Although molecular OH lines located in the ultraviolet and infrared could also be used for the diagnostics, oxygen abundances obtained from the OH lines and the [O I] 630 nm line are usually discrepant to a level of ~0.3-0.4 dex. Aims. We study the influence of convection on the formation of the infrared (IR) OH lines and the forbidden [O I] 630 nm line in the atmospheres of extremely metal-poor (EMP) red giant stars. Methods. We used high-resolution and high signal-to-noise ratio spectra of four EMP red giant stars obtained with the VLT CRIRES spectrograph. For each EMP star, 4-14 IR OH vibrational-rotational lines located in the spectral range of 1514-1548 and 1595-1632 nm were used to determine oxygen abundances by employing standard 1D LTE abundance analysis methodology. We then corrected the 1D LTE abundances obtained from each individual OH line for the 3D hydrodynamical effects. Results. We find that the influence of convection on the formation of [O I] 630 nm line in the atmospheres of EMP giants studied here is minor, which leads to very small 3D-1D abundance corrections (< -0.01 dex). On the contrary, IR OH lines are strongly affected by convection and thus the abundance corrections for these lines are significant, 3D-1D ~ -0.2 ... -0.3 dex. These abundance corrections do indeed bring the 1D LTE oxygen abundances of EMP red giants obtained using IR OH lines into better agreement with those determined from the [O I] 630 nm line.

研究の動機と目的

• 極もくもく金属量の低い（EMP）赤超巨星において、赤外OH線から導かれた酸素分圧と[O I] 630 nm線から導かれた酸素分圧の間にある長年の不一致を解消すること。
• EMP星の大気において、赤外OH線と[O I] 630 nm線の形成に及ぼす3D対流効果の影響を評価すること。
• 3D水力学的モデル大気が、EMP巨星における異なる分光的指標から導かれた酸素分圧を一致させることの可能性を検証すること。
• 3Dモデル大気を用いる場合、赤外OH線がEMP星における酸素分圧指標として信頼できるかどうかを評価すること。

提案手法

• VLT CRIRES分光計を用いて、4つのEMP赤超巨星の高分解能（R = 50,000）かつ高信号対雑音比（S/N ≈ 200–600）のスペクトルを取得した。
• 1D局所熱力学的平衡（LTE）分光分析を、1514–1548 nmおよび1595–1632 nmの範囲にまたがる4～14本の赤外OH振動-回転線に適用し、初期の酸素分圧を導出した。
• CO5BOLD 3D水力学的モデルとLHD 1D静的モデル大気を用いて、対流効果を補正するための3D–1D LTE分光分析補正を計算した。
• 1D LTE酸素分圧に3D補正を適用し、[O I] 630 nm線の結果との整合性に与える影響を評価した。
• 最終的な酸素分圧を、指標間で比較し、統計的散らばりを用いて不確実性を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3D水力学的効果は、極もくもく金属量の低い赤超巨星の大気における赤外OH線の形成にどのように影響するか？
• RQ2 1D LTE分析と比較して、3D効果は赤外OH線から導かれる酸素分圧にどの程度の変化をもたらすか？
• RQ3 3D補正を施した赤外OH線からの酸素分圧は、EMP巨星における[O I] 630 nm線から導かれた値と一致するか？
• RQ4 3Dモデル大気を用いる場合、赤外OH線はEMP星における酸素分圧指標として信頼できるか？

主な発見

• [O I] 630 nm線の3D–1D分光分析補正は無視できるほど小さく、Δ3D–1D ≤ −0.01 dexであり、この線にたいする対流の影響は最小限であることが示された。
• 一方、赤外OH線は対流の影響を強く受けており、−0.2〜−0.3 dexの顕著な3D–1D分光分析補正が生じた。
• 3D補正を施した後、赤外OH線からの1D LTE酸素分圧の平均値（⟨A(O)⟩ = 6.61 ± 0.21）は、[O I] 630 nm線からの値（⟨A(O)⟩ = 6.52 ± 0.33）とよく一致した。
• 4つの星の3D補正済み酸素分圧から得られる[O/Fe]は[Fe/H] = −3.0で0.7であり、理論的モデルや先行研究と整合的であった。
• 赤外OH線は[O I] 630 nm線よりも顕著に強く、複数の混合線がないラインが利用可能であるため、統計的有意性が高かった。
• 本研究は、3D水力学的モデル大気が、EMP巨星における赤外OH線からの酸素分圧の正確な決定に不可欠であることを確認した。