[논문 리뷰] Line formation in solar granulation VII. CO lines and the solar C and O isotopic abundances

Patrick Scott, M. Asplund외 2명|CERN Bulletin|2006. 05. 04.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 62인용 수 48

한 줄 요약

이 연구는 ATMOS 위성 미션에서 확보한 CO 스펙트럼 선을 분석하기 위해 3차원 복사-유체역학적 태양 대기 모델을 사용하여 태양의 탄소 및 산소 동위원소 농도를 고정밀도로 결정한다. 태양 탄소 농도는 log ε(C) = 8.39 ± 0.05로 산정되었으며, 동위원소 비율은 12C/13C = 86.8+3.9−3.7 및 16O/18O = 479+29−28로 나타났다. 이는 광합성층 위에 냉각된 CO모스피어가 존재하며, 현재의 태양계 형성 모델에 도전하는 결과를 시사한다.

ABSTRACT

CO spectral line formation in the Sun has long been a source of consternation for solar physicists, as have the elemental abundances it seems to imply. We modelled solar CO line formation using a realistic, ab initio, time-dependent 3D radiative-hydrodynamic model atmosphere. Results were compared with observations from the space-based ATMOS experiment. We employed weak 12C16O, 13C16O and 12C18O lines from the fundamental and first overtone bands to determine the solar carbon abundance, as well as the 12C/13C and 16O/18O isotopic ratios. A weighted carbon abundance of log epsilonC = 8.39 +-0.05 was found. We note with satisfaction that the derived abundance is identical to our recent 3D determination based on CI, [C I], C2 and CH lines. Identical calculations were carried out using 1D models, but only the 3D model was able to produce abundance agreement between different CO lines and the other atomic and molecular diagnostics. Solar 12C/13C and 16O/18O ratios were measured as 86.8+3.9-3.7 (delta13C = 30+46-44) and 479+29-28 (delta18O = 41+67-59), respectively. These values may require current theories of solar system formation to be revised. Excellent agreement was seen between observed and predicted weak CO line shapes, without invoking micro- or macroturbulence. Agreement breaks down for the strongest CO lines however, which are formed in very high atmospheric layers. The simplest explanation is that temperatures are overestimated in the highest layers of the 3D simulation. Thus, our analysis supports the presence of a COmosphere above the traditional photospheric temperature minimum, with an average temperature of less than 4000K. The shortcoming of the model atmosphere is not surprising, given that it was never intended to properly describe such high layers.

연구 동기 및 목표

• ATMOS 위성 미션에서 확보한 약한 CO 선을 이용하여 태양 탄소 농도를 결정하기 위해.
• 태양 적외선 스펙트럼 내 CO 스펙트럼 선을 이용하여 12C/13C 및 16O/18O 동위원소 비율을 측정하기 위해.
• 3차원 복사-유체역학적 모델이 미세 또는 매크로 turbulent 흐름을 가정하지 않고 관측된 CO 선형형을 재현할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 관측된 최강선과 예측된 최강선 간의 격차를 조사하여 고대기층에서의 모델 한계를 밝혀내기 위해.
• 결과가 태양 대기 구조 및 태양계 형성 이론, 특히 CO 자가차폐 가설에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 태양의 그레뉴레이션과 CO 선 형성 과정을 시뮬레이션하기 위해 현실적이고, 근본적인, 시간에 따라 변화하는 3차원 복사-유체역학적 모델 대기를 사용하였다.
• 기본 밴드(Δv=1) 및 첫 번째 오버턴(Δv=2) 밴드에서의 약한 12C16O, 13C16O, 12C18O 선을 사용하여 원소 농도를 유도하였다.
• 모델 예측을 검증하기 위해 ATMOS 실험에서 확보한 위성 기반 스펙트럼과 합성 선형형을 비교하였다.
• 3D 모델 대비 1D 모델 대기의 성능을 비교하기 위해 병렬 계산을 수행하였다.
• 고대기층에서의 온도 구조와 비-열역학적 평형 효과를 평가하기 위해 선 이분류 및 강도를 분석하였다.
• 결과의 타당성을 검증하기 위해 C i, [C i], C2, CH 및 CO 선을 포함한 여러 진단 수단 간의 농도 일관성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3차원 복사-유체역학적 모델은 미세 또는 매크로 turbulent 흐름을 가정하지 않고 관측된 태양 스펙트럼 내 CO 선형형을 정확히 재현할 수 있는가?
• RQ2 CO 선에서 유도된 태양 탄소 농도는 얼마이며, 다른 원소 및 분자 진단 수단의 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 태양 내 12C/13C 및 16O/18O 동위원소 비율의 정밀한 값은 무엇이며, 태양계 형성 모델의 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 왜 최강선에서는 관측된 강도와 예측된 강도 사이에 격차가 발생하는가? 이는 상부 태양 대기층의 온도 구조에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 모델은 광합성층 위에 냉각된 CO모스피어 존재를 지지하는가? 그 평균 온도는 얼마이며, 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• CO 선에서 유도된 가중 평균 태양 탄소 농도는 log ε(C) = 8.39 ± 0.05로 산정되었으며, C i, [C i], C2 및 CH 선에서의 3D 결과와 뛰어난 일치를 보였다.
• 12C/13C 동위원소 비율은 86.8+3.9−3.7 (δ13C = 30+46−44)로 측정되어 이전에 가정된 것보다 높은 비율을 나타냈다.
• 16O/18O 동위원소 비율은 479+29−28 (δ18O = 41+67−59)로 결정되었으며, 이는 현재의 태양계 형성 이론을 재검토할 필요가 있음을 시사한다.
• 3D 모델은 미세 또는 매크로 turbulent 흐름을 도입하지 않고도 약한 CO 선형형을 성공적으로 재현하였지만, 1D 모델은 진단 수단 간 일관성이 확보되지 못하였다.
• 최강선에서의 격차는 3D 모델이 상부 대기층의 온도를 과대평가하고 있음을 시사하며, 평균 온도가 4000 K 이하인 냉각된 CO모스피어 존재를 시사한다.
• 모델의 상부 층에서의 한계는 예상되는 바이며, 이는 해당 영역을 정확히 기술하도록 설계되지 않았기 때문에, 상부 코로나층의 개선된 모델링이 필요하다는 점을 강조한다.