[논문 리뷰] Fourier analysis of Fe I lines in the spectra of the Sun, {\alpha} Centauri A, Procyon, Arcturus, and Canopus

V. A. Sheminova, A. S. Gadun|arXiv (Cornell University)|1998. 01. 01.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 25인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 태양형 및 진화한 항성에서 Fe I 선에 고해상도 푸리에 분석(200,000 해상도)을 적용하여 미크로 및 매크로 turbulent 속도장을 분리한다. 태양, α Cen A, 프로키온, 아르투루스에서는 등방성 미크로 turbulent과 축방향-접선 매크로 turbulent을 발견하지만, 카누스에서는 이방성 난류를 확인하였으며, 강한 축방향 매크로 turbulent(17 km/s)과 약한 접선 성분(1.3 km/s)을 보이며, 낮은 자전 속도(3.5 km/s)를 가짐.

ABSTRACT

We used spectral observations of Fe I line profiles with a 200 000 resolution to determine micro and macroturbulent velocities in the atmospheres of the Sun as a star, {\alpha} Cen A, Procyon ({\alpha} CMi), Arcturus ({\alpha} Boo), and Canopus ({\alpha} Car). Isotropic microturturbulent velocities (V_mi) and radial-tangential macroturbulent velocities (V_ma,RT) were found to be a quite suitable approximation to the velocity field in the atmospheres of all stars studied except Canopus. The average velocities V_mi and V_ma,RT are 0.8 +/- 0.1 and 2.6 +/- 0.3 km/s for the Sun as a star, 0.8 +/- 0.2 and 2.9 +/- 0.4 km/s for {\alpha} Cen A, 0.8 +/- 0.3 and 5.9 +/- 0.2 km/s for Procyon, 1.0 +/- 0.2 and 4.6 +/- 0.3 km/s for Arcturus. The velocity field in the atmosphere of Canopus can be described by an anisotropic radial-tangential distribution of microturbulence with V_mi,RT = 2.1 km/s and anisotropic distribution of macroturbulence with V_ma,rad = 17 +/- 2 km/s and V_ma,tan = 1.3 +/- 1.0 km/s. From Fourier analysis of broadening and shapes of three spectral lines of Fe I, we have derived the rotation velocity V_e sini = 3.5 +/- 0.2 km/s for Canopus.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 스펙트로스코피를 이용하여 태양, α Cen A, 프로키온, 아르투루스, 카누스의 대기에서 미크로 및 매크로 turbulent 속도장을 규명하는 것.
• granulation 경계 근처에서 속도장의 구조가 H–R 다이어그램을 따라 어떻게 변화하는지 평가하는 것.
• 특히 초거대항성인 카누스와 같은 항성에서 관찰되는 보라색 역전 비대칭성의 원인을 분석하기 위해 그 푸리에 변환을 분석함으로써 스펙트럼 선의 비대칭성의 성격을 조사하는 것.
• 특히 대류층이 없는 항성에서 미크로 및 매크로 turbulent 속도장을 기술하는 데 등방성 또는 이방성 모델 중 어느 것이 더 잘 맞는지 테스트하는 것.
• Fe I 선 프로파일의 푸리에 분석을 통해 카누스의 자전 속도를 유도하는 것.

제안 방법

• ESO에서 Dravins(1982–1984)가 확보한 Fe I 선의 고해상도(200,000) 스펙트로그램을 사용하였으며, S/N > 300이고 기구적 FWHM ≈ 2.3 km/s임.
• 선 프로파일에 기여하는 미크로 turbulent, 매크로 turbulent, 자전의 기여를 분리하기 위해 푸리에 변환 기법을 적용함.
• 미세한 혼합을 보정한 후 왼쪽과 오른쪽 날개를 평균화하여 선을 대칭화함으로써 선 핵 중심을 10% 핵의 질량 중심으로 유지함.
• 스펙트럼 샘플링의 일관성을 유지하고 푸리에 변환에서의 잡음 요소를 방지하기 위해 파장 보간 단계(0.001–0.005 nm)를 도입함.
• 등방성 미크로 turbulent 및 축방향-접선 매크로 turbulent 모델을 푸리에 전력 스펙트럼에 피팅하여 속도 진폭을 유도함.
• 기구적 프로파일의 푸리에 변환의 첫 번째 제로를 통해 자전 속도(Ve sin i)를 추출하고, 선 폭의 증가를 고려함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양에서 카누스에 이르기까지 H–R 다이어그램을 따라 미크로 및 매크로 turbulent 속도장은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 왜 초거대항성인 카누스의 스펙트럼 선은 태양형 항성에서 관찰되는 빨간색 C자형 비대칭성과는 달리 보라색 역전 비대칭성을 보이는가?
• RQ3 대류층이 있는가 없는가에 관계없이 등방성 또는 이방성 모델이 관측된 선 프로파일을 얼마나 정확히 기술할 수 있는가?
• RQ4 카누스의 진짜 자전 속도는 얼마이며, 샘플 내 다른 항성들과 비교해 볼 때 어떠한가?
• RQ5 3D 유체역학 모델과 반경험적 모델은 아르투루스와 프로키온과 같은 항성에서 난류 속도 진폭을 예측하는 데 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 태양은 0.8 ± 0.1 km/s의 등방성 미크로 turbulent과 2.6 ± 0.3 km/s의 축방향-접선 매크로 turbulent을 보임.
• α Cen A는 태양과 유사한 등방성 미크로 turbulent(0.8 ± 0.2 km/s)과 약간 높은 매크로 turbulent(2.9 ± 0.4 km/s)을 보임.
• 프로키온은 더 높은 매크로 turbulent(5.9 ± 0.2 km/s)과 미크로 turbulent(0.8 ± 0.3 km/s)을 보이며, 낮은 중력과 높은 온도와 일치함.
• 아르투루스는 1.0 ± 0.2 km/s의 미크로 turbulent과 4.6 ± 0.3 km/s의 매크로 turbulent을 보이며, 저밀도이자 금속 농도가 낮은 대기에서 강화된 대류 운동을 나타냄.
• 카누스는 강한 이방성 특성을 보이며, 축방향 매크로 turbulent은 17 ± 2 km/s, 접선 성분은 1.3 ± 1.0 km/s이며, 미크로 turbulent은 2.1 km/s로 축방향-접선 이방성 특성을 보임.
• 카누스의 자전 속도는 3.5 ± 0.2 km/s로 측정되었으며, 초거대항성임에도 불구하고 느린 자전임을 시사함.