[논문 리뷰] Lithium abundance and 6Li/7Li ratio in the active giant HD123351 I. A comparative analysis of 3D and 1D NLTE line-profile fits

A. Mott, M. Steffen외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 21.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 51인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 CFHT 분광법을 사용하여 자기 활성화된 적색 거성 HD 123351에서 리튬 공명 이중선에 대한 3D 비- LTE 분석을 수행한다. $^{6}\mathrm{Li}/^{7}\mathrm{Li} = 8.0 \pm 4.4\%$ 와 $A(\mathrm{Li}) = 1.69 \pm 0.11$ dex의 2σ 검출 결과를 보고하며, 기대치 않게 진화한 별에서 부성적인 $^{6}\mathrm{Li}$ 동위원소가 존재함으로써 표준 항성 진화 모델에 도전하고 있다.

ABSTRACT

Current three-dimensional (3D) hydrodynamical model atmospheres together with NLTE spectrum synthesis, permit to derive reliable atomic and isotopic chemical abundances from high-resolution stellar spectra. Not much is known about the presence of the fragile 6Li isotope in evolved solar-metallicity RGB stars, not to mention its production in magnetically active targets like HD123351. From fits of the observed CFHT spectrum with synthetic line profiles based on 1D and 3D model atmospheres, we seek to estimate the abundance of the 6Li isotope and to place constraints on its origin. We derive A(Li) and the 6Li/7Li isotopic ratio by fitting different synthetic spectra to the Li-line region of a high-resolution CFHT spectrum (R=120 000, S/R=400). The synthetic spectra are computed with four different line lists, using in parallel 3D hydrodynamical CO5BOLD and 1D LHD model atmospheres and treating the line formation of the lithium components in non-LTE (NLTE). We find A(Li)=1.69+/-0.11 dex and 6Li/7Li=8.0+/-4.4 % in 3D-NLTE, using the line list of Meléndez et al. (2012), updated with new atomic data for V I, which results in the best fit of the lithium line profile of HD123351. Two other line lists lead to similar results but with inferior fit qualities. Our 2-sigma detection of the 6Li isotope is the result of a careful statistical analysis and the visual inspection of each achieved fit. Since the presence of a significant amount of 6Li in the atmosphere of a cool evolved star is not expected in the framework of standard stellar evolution theory, non-standard, external lithium production mechanisms, possibly related to stellar activity or a recent accretion of rocky material, need to be invoked to explain the detection of 6Li in HD123351.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 분광법을 사용하여 자기 활성화된 적색 거성 HD 123351의 리튬 농도와 $^{6}\mathrm{Li}/^{7}\mathrm{Li}$ 동위원소 비율을 결정하기.
• 비- LTE 조건 하에서 1D 및 3D 모델 대기에서의 합성 선형형을 비교하여 $^{6}\mathrm{Li}$ 검출의 신뢰성을 평가하기.
• 다양한 선 목록과 원자 데이터가 유도된 동위원소 비율과 농도에 미치는 영향을 평가하기.
• 표준 항성 진화 이론과 부합하지 않는 관측된 $^{6}\mathrm{Li}$의 기원을 규명하기.
• 동위원소 비율 결정 과정에서 블렌딩 선과 모델 가정으로 인한 체계적 불확실성의 원인을 규명하기.

제안 방법

• 리튬 선 형성에 대해 비- LTE 처리를 적용한 3D CO 5 BOLD 및 1D LHD 모델 대기를 사용하여 합성 스펙트럼을 계산하였다.
• 고해상도 CFHT 스펙트럼($R = 120,000$, S/N ≈ 400)을 여러 선 목록을 사용하여 합성 프로파일에 맞추었으며, Lawler 등(2014)의 업데이트된 원자 데이터를 포함하였다.
• 다양한 파장 범위와 가정 조건에서 반복적으로 피팅하여 $A(\mathrm{Li})$ 및 $^{6}\mathrm{Li}/^{7}\mathrm{Li}$의 체계적 불확실성을 정량화하였다.
• Meléndez 등(2012)의 선 목록은 V i에 대한 새로운 $\log gf$ 값으로 업데이트되어 관측된 리튬 선형형에 가장 잘 맞았다.
• 통계적 분석과 피팅 결과의 시각적 검토를 통해 $^{6}\mathrm{Li}$ 검출 결과는 2σ 수준에서 신뢰할 수 있었다.
• 다른 선 목록을 사용하여 결과의 타당성을 검증하고, 오류 원인이 되는 잠재적 문제(예: 잘못된 블렌딩으로 인한 허구적 음수 $^{6}\mathrm{Li}/^{7}\mathrm{Li}$ 비율)를 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 진화한 자기 활성 거성 HD 123351에서 진정한 $^{6}\mathrm{Li}/^{7}\mathrm{Li}$ 동위원소 비율은 무엇인가?
• RQ2 3D 비- LTE 모델 대기의 경우 1D LTE 모델 대비 리튬 동위원소 비율 결정 정확도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 선 목록 구성과 원자 데이터의 불확실성이 유도된 $^{6}\mathrm{Li}/^{7}\mathrm{Li}$ 비율에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 관측된 $^{6}\mathrm{Li}$ 농도는 표준 항성 진화 이론로 설명될 수 있는가, 아니면 비표준 과정이 필요한가?
• RQ5 활성화된 진화한 별에서 리튬 생성 메커니즘에 대해 $^{6}\mathrm{Li}$ 검출의 의미는 무엇인가?

주요 결과

• Meléndez 등(2012)의 선 목록과 업데이트된 V i $\log gf$ 값으로 보정한 3D-NLTE 모델링을 사용하여 HD 123351의 $^{6}\mathrm{Li}/^{7}\mathrm{Li}$ 동위원소 비율은 $8.0 \pm 4.4\%$ 로 측정되었다.
• 리튬 농도는 $A(\mathrm{Li}) = 1.69 \pm 0.11$ dex로 결정되었으며, 이는 $T_{\rm eff} = 4780$ K, $\log g = 3.20$, $[\mathrm{Fe}/\mathrm{H}] = 0.00$ 인 3D 모델 대기 온도 조건과 일치한다.
• Meléndez 등(2012)의 선 목록에 업데이트된 V i 데이터를 적용한 결과 관측된 리튬 선형형에 가장 잘 맞았으며, Reddy 등(2002)의 목록은 잘못된 블렌딩으로 인해 물리적으로 의미 없는 음수 $^{6}\mathrm{Li}/^{7}\mathrm{Li}$ 비율을 유도하였다.
• 2σ 수준에서의 $^{6}\mathrm{Li}$ 검출 결과는 다수의 피팅 구성 조건에서의 통계적 분석과 시각적 검토를 통해 탄탄한 신뢰성을 확보하였다.
• 관측된 $^{6}\mathrm{Li}/^{7}\mathrm{Li}$ 비율은 표준 항성 진화 이론와 부합하지 않으며, 첫 번째 덮개 교반 이후 $^{6}\mathrm{Li}$ 가 거의 완전히 파괴되어야 한다는 예측과 모순된다.
• 가능한 설명으로는 최근에 암석성 행성 물질의 축적(약 50 Earth 질량 필요) 또는 플레어 유도 스트레스 반응이 있지만, 후자는 에너지 출력이 부족하여 불가능한 것으로 여겨진다.