[논문 리뷰] Line formation in solar granulation: IV. [O I], OI and OH lines and the photospheric O abundance

M. Asplund, N. Grevesse외 3명|ArXiv.org|2003. 12. 11.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 63인용 수 513

한 줄 요약

이 연구는 태양 광구 산소 농도를 3차원 시간에 따라 변화하는 유체역학적 태양 대기 모델과 [O I], O I, 그리고 OH 선에 대한 비- LTE 복사전달을 사용하여 결정한다. log ε(O) = 8.66 ± 0.05를 산출하였으며, 이는 오랫동안 지속된 다양한 산소 지표 간의 괴리 문제를 해결하고 태양의 낮은 금속성분 (Z = 0.0126) 을 지지하지만, 음속 불일치로 인해 태양 내부 모델의 일관성에 도전을 제기한다.

ABSTRACT

The solar photospheric oxygen abundance has been determined from [OI], OI, OH vibration-rotation and OH pure rotation lines by means of a realistic time-dependent, 3D, hydrodynamical model of the solar atmosphere. In the case of the OI lines, 3D non-LTE calculations have been performed, revealing significant departures from LTE as a result of photon losses in the lines. We derive a solar oxygen abundance of log O = 8.66 +/- 0.05. All oxygen diagnostics yield highly consistent abundances, in sharp contrast with the results of classical 1D model atmospheres. This low value is in good agreement with measurements of the local interstellar medium and nearby B stars. This low abundance is also supported by the excellent correspondence between lines of very different line formation sensitivities, and between the observed and predicted line shapes and center-to-limb variations. Together with the corresponding down-ward revisions of the solar carbon, nitrogen and neon abundances, the resulting significant decrease in solar metal mass fraction to Z = 0.0126 can, however, potentially spoil the impressive agreement between predicted and observed sound speed in the solar interior determined from helioseismology.

연구 동기 및 목표

• 태양 광구에서 다양한 스펙트럼 선으로부터 유도된 산소 농도 간 오랫동안 지속된 괴리를 해결하기 위해.
• 실제적인 3차원 시간에 따라 변화하는 태양 대기 유체역학적 모델을 사용하여 진정한 태양 광구 산소 농도를 결정하기 위해.
• 특히 [O I], O I, 그리고 OH 선에 대해 비-LTE 효과와 3차원 대기 구조가 선 형성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 다양한 형성 감도를 가진 여러 지표 간의 산소 농도 결정이 얼마나 일관된지 평가하기 위해.
• 수정된 태양 산소 농도가 태양 내부 모델, 특히 태양진동학 모델에 미치는 영향을 검토하기 위해.

제안 방법

• 태양 대기의 3차원 시간에 따라 변화하는 유체역학적 모델을 사용하여 실제 균열과 대류 운동을 시뮬레이션하였다.
• 광자 손실과 局부 열역학 평형에서의 이탈을 고려하여 O I 선에 대한 3차원 비-LTE 복사전달 계산을 수행하였다.
• 합성 스펙트럼을 사용하여 [O I] 630.0 nm, O I 777.4 nm 삼중선, 그리고 OH 진동-회전 및 순수 회전 선을 분석하였다.
• 고해상도 관측과 비교하여 합성 선형형과 중심-편위 변화를 검증하기 위해 모델을 검증하였다.
• 업데이트된 이행 확률를 포함한 일관된 원자 데이터를 사용하였으며, [O I] 선에서 Ni I와의 혼합 효과를 고려했다.
• 다양한 지표 간 결과의 일관성을 평가하고 금속성분과 태양진동학 모델에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3차원 대기 구조와 비-LTE 효과를 고려할 때 진정한 태양 광구 산소 농도는 무엇인가?
• RQ2 왜 1차원 모델에서는 [O I], O I, 그리고 OH 선과 같은 다양한 산소 지표가 일관되지 않은 농도를 산출하는가?
• RQ3 LTE에서의 이탈이 태양 광구에서 O I 선 형성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 3차원 유체역학적 모델이 관측된 선형형과 중심-편위 변화 간의 일치도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 낮은 산소 농도는 태양 내부 구조와 태양진동학 모델에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 3차원 시간에 따라 변화하는 유체역학적 모델과 3차원 비-LTE 계산을 사용하여 태양 산소 농도는 log ε(O) = 8.66 ± 0.05로 결정되었다.
• 3차원 모델을 사용할 경우 [O I], O I, 그리고 OH 선 모두가 매우 일관된 농도를 산출하여 이전 1차원 분석에서 관측된 괴리를 해결하였다.
• O I 선에서의 비-LTE 효과는 광자 손실로 인해 상당히 크며, 정확한 농도 결정을 위해서는 3차원 비-LTE 계산이 필수적이다.
• 수정된 산소 농도는 Z = 0.0126의 낮은 태양 금속성분을 이끌어내었으며, 이는 이전의 Z = 0.0194에 비해 상당한 하향 조정이다.
• 새로운 농도는 국소 간성간 매질과 근접한 B형 항성의 측정치와 뛰어난 일치를 보이며 이전의 과잉 농도 역설을 해결하였다.
• 낮은 금속성분은 태양진동학 모델에 도전을 제기한다. 예측된 음속이 더 이상 관측치와 잘 맞지 않기 때문에, 광구와 내부 농도 간의 불일치 또는 투과도 처리의 오류 가능성을 시사한다.