[논문 리뷰] 3D non-LTE line formation in the solar photosphere and the solar oxygen abundance

D. Kiselman, Åke Nordlund|arXiv (Cornell University)|1995. 05. 08.

Atmospheric and Environmental Gas Dynamics인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 수소대류모델을 사용하여 태양광구에서 3차원 비- LTE 선 형성 문제를 다루며 태양 산소 농도를 재평가한다. 1차원 LTE 근사 이상의 O I 777 nm 삼중선과 OH/[O I] 선을 모델링함으로써, 3D 비- LTE 효과는 산소 농도의 차이를 감소시키지만 완전히 제거하지는 못하며, 등가폭과 f-값의 측정 불확도 범위 내에서 해결 가능할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We study the formation of O I and OH spectral lines in three-dimensional hydrodynamic models of the solar photosphere. The line source function of the O I 777 nm triplet is allowed to depart from local thermodynamic equilibrium (LTE), within the two-level-atom approximation. Comparison with results from 1D models show that the 3D models alleviate, but do not remove, the discrepancy between the oxygen abundances reported from non-LTE work on the 777 nm triplet and from the [O I] 630 nm and OH lines. Results for the latter two could imply that the solar oxygen abundance is below 8.8 (lg(H) = 12). If this is confirmed, the discrepancy between theory and observation for the 777 nm triplet lines might fall within the range of errors in equivalent width measurements and f-values. The line source function of the 777 nm triplet in the 1.5D approximation is shown to differ insignificantly from the full 3D non-LTE result.

연구 동기 및 목표

• 다양한 스펙트럼 선에서 유도된 태양 산소 농도 간 오랜 기간 지속된 불일치를 해결하기 위해.
• 3D 대류 구조와 비- LTE 효과가 태양광구에서 선 형성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• O I 777 nm 삼중선에서 유도된 산소 농도와 [O I] 630 nm 및 OH 선에서 유도된 산소 농도를 3D 비- LTE 모델링으로 조율할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 3D 비- LTE 선 형성 모델링에서 1.5D 근사의 타당성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 1D 가정을 대체하기 위해 태양광구의 대기 구조를 모델링하기 위해 3D 대류 시뮬레이션을 사용한다.
• 원천 함수에 대해 이중준위원자 근사를 사용하여 O I 777 nm 삼중선에 대해 비- LTE 복사전달을 적용한다.
• 공간적으로 변화하는 온도, 밀도, 속도장을 고려하여 3D에서 선 형성을 계산한다.
• 3D 효과와 비- LTE 이탈의 영향을 평가하기 위해 1D LTE 및 비- LTE 모델과 결과를 비교한다.
• 1.5D 근사의 결과를 전체 3D 비- LTE 해법과 비교하여 검증한다.
• 등가폭과 선형형태를 합성하여 관측 결과와 비교함으로써 산소 농도를 추론한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3D 비- LTE 효과는 O I 777 nm 삼중선에서 유도된 산소 농도와 다른 선들에서 유도된 산소 농도 간의 불일치를 어느 정도 감소시키는가?
• RQ2 3D 대류 구조는 태양광구에서 비- LTE 준위 분포와 선 형성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 1.5D 근사는 O I 777 nm 삼중선의 전체 3D 비- LTE 선 형성 결과를 정확히 재현하는가?
• RQ4 관측된 산소 농도 불일치는 등가폭 측정 불확도나 진동자 강도 값의 오차 때문인가, 물리적 불일치 때문인가?
• RQ5 다양한 선들에 대해 일관된 3D 비- LTE 모델링을 적용했을 때 잠재적인 태양 산소 농도는 얼마인가?

주요 결과

• 3D 비- LTE 모델링은 O I 777 nm 삼중선에서 유도된 산소 농도와 [O I] 630 nm 및 OH 선에서 유도된 산소 농도 간의 불일치를 감소시키지만 완전히 제거하지는 않는다.
• [O I] 630 nm 및 OH 선의 결과는 태양 산소 농도가 lg(H) = 8.8 이하임을 시사하며, 이는 이전에 생각했던 것보다 잠재적으로 낮은 농도일 수 있음을 나타낸다.
• 1.5D 근사는 O I 777 nm 삼중선에 대해 전체 3D 비- LTE 해법과 거의 구분되지 않는 결과를 도출하여, 계산 효율성이 높은 대체 방법으로서의 타당성을 입증한다.
• 남아 있는 산소 농도 불일치는 등가폭 측정 불확도와 진동자 강도 값의 불확도 범위 내에서 조율될 수 있다.
• 3D 모델에서의 비- LTE 효과는 특히 온도 및 속도 경사가 가장 급격한 상부 광구에서 1D LTE와 비교해 선 형성에 상당한 영향을 미친다.