[논문 리뷰] 3D Hydrodynamical Simulations of Surface Convection in Red Giant Stars. Impact on spectral line formation and abundance analysis

R. Collet, M. Asplund외 1명|ArXiv.org|2007. 03. 26.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 134

한 줄 요약

이 연구는 적색거성 대기의 3차원 유체역학적 시뮬레이션을 사용하여 현실적인 대류 운동이 스펙트럼 선 형성과 원소 농도 결정에 미치는 영향을 조사한다. 3D 모델은 1D 모델보다 상층 대기층이 훨씬 더 차가운 것으로 예측되며, 이는 국소 열역학적 평형(LTE) 조건에서 중성 이종과 분자 선이 더 강해지게 하여, [Fe/H] ≈ −3인 금속 빈도가 낮은 거성에서 C, N, O, Fe에 대해 3D–1D 농도 보정치가 −0.5에서 −1.0 dex로 나타남을 보여준다.

ABSTRACT

We investigate the impact of 3D hydrodynamical model atmospheres of red giant stars at different metallicities on the formation of spectral lines of a number of ions and molecules. We carry out realistic 3D simulations of surface convection in red giant stars with varying stellar parameters. We use the simulations as time-dependent hydrodynamical model stellar atmospheres to compute atomic (Li, O, Na, Mg, Ca, Fe) and molecular (CH, NH, OH) spectral lines under the assumption of local thermodynamic equilibrium (LTE). We compare the line strengths computed in 3D with the results of analogous line formation calculations for 1D, hydrostatic, plane-parallel MARCS model atmospheres in order to estimate the impact of 3D models on the derivation of elemental abundances. The temperature and density inhomogeneities and correlated velocities in 3D models, as well as the differences between the 1D and mean 3D structures significantly affect the predicted line strengths. Under the assumption of LTE, the low atmospheric temperatures of very metal-poor 3D model atmospheres cause the lines from neutral species and molecules to appear stronger than in 1D. Therefore, elemental abundances derived from these lines using 3D models are significantly lower than according to 1D analyses. Differences between 3D and 1D abundances of C, N, and O derived from CH, NH, and OH weak low-excitation lines are found to be in the range -0.5 dex to -1.0 dex for the the red giant stars at [Fe/H]=-3 considered here. At this metallicity, large negative corrections (about -0.8 dex) are also found for weak low-excitation Fe I lines. We caution, however, that departures from LTE might be significant for these and other elements and comparable to the effects due to stellar granulation.

연구 동기 및 목표

• 3D 유체역학적 모델 대기를 적색거성의 스펙트럼 선 형성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 3D와 전통적인 1D 모델 대기 간의 원소 농도 결정에서의 차이를 정량화하기 위해.
• 3D 모델에서의 온도 비균일성, 속도장, 그리고 구조적 차이가 국소 열역학적 평형 조건에서 선 강도에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 특히 C, N, O, Fe에 대해 금속 빈도가 낮은 적색거성에서 3D 효과가 농도 분석에 미치는 영향의 중요성을 평가하기 위해.
• 비국소 열역학적 평형 효과와 산란 근사치에 대한 고려 없이 발생할 수 있는 체계적 불확실성의 규모를 규명하기 위해.

제안 방법

• 다양한 효율 온도와 금속 농도를 가진 적색거성 표면 대류의 처음부터 시작하는 3D 유체역학적 시뮬레이션 수행.
• 수득한 시간에 따라 변화하는 3D 모델 대기를 국소 열역학적 평형(LTE) 조건에서 스펙트럼 선 형성 계산에 입력으로 사용.
• 원자(리튬 i, 산소 i, 나트륨 i, 마그네슘 i, calcium i, 철 i, 철 ii) 및 분자(CH, NH, OH) 선의 스펙트럼 선 강도를 3D 및 1D 모델 대기에서 모두 계산.
• 3D와 1D 모델 간의 선 강도를 차등 비교하여 3D–1D 농도 보정치 유도.
• 비교를 위해 MARCS 1D 모델 대기 코드를 사용하며, 동일한 항성 파arameter를 가정.
• 산란을 흡수로 근사화하는 것과 잠재적인 비국소 열역학적 평형 효과가 유도된 보정치에 미치는 영향 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3D 유체역학적 모델 대기는 적색거성에서 1D 모델 대비 예측하는 스펙트럼 선 강도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 금속 빈도가 낮은 적색거성에서 약한 저 excitation 상태의 C, N, O, Fe 선을 통해 유도된 3D–1D 농도 보정치의 크기와 방향은 무엇인가?
• RQ3 3D 모델에서의 온도 비균일성과 상관된 속도장은 선 형성과 농도 결정에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 비국소 열역학적 평형에서의 이탈과 산란 근사치는 3D 농도 보정의 신뢰성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 3D 모델은 수직 평형과 혼합길이 이론에 기인한 1D 농도 분석의 체계적 오류를 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 3D 모델 대기는 온도 비균일성과 상관된 속도장으로 인해 1D 모델보다 상층 대기층이 현저히 더 차가운 것으로 나타났다.
• 국소 열역학적 평형 조건에서 상층 대기층의 더 낮은 온도로 인해 중성 이종과 분자(CH, NH, OH) 선의 강도가 3D 모델에서 1D 모델보다 더 강하게 나타났다.
• Fe/H ≈ −3인 적색거성에서, 약한 저 excitation 상태의 CH, NH, OH 선를 통해 유도된 C, N, O에 대한 3D–1D 농도 보정치는 −0.5에서 −1.0 dex 사이였다.
• 동일한 금속 농도에서 Fe i 선에 대해 약 −0.8 dex의 큰 음수 보정치가 발견되어, 1D 분석이 Fe 농도를 과대평가하고 있음을 시사한다.
• 국소 열역학적 평형 가정은 심각한 오차를 유발할 수 있으며, 특히 철에서의 과도한 이온화로 인한 비국소 열역학적 효과가 대류에 의해 유도된 선 강도 증가를 상쇄할 수 있어, 비국소 열역학적 효과의 크기가 3D 효과와 비슷한 정도임을 시사한다.
• 산란을 흡수로 근사화하고 비국소 열역학적 효과를 忽略함으로써 3D 농도 분석에서 체계적 불확실성이 발생하며, 이는 자외선 영역의 온도 구조와 복사 플럭스 예측에 영향을 줄 수 있다.