[논문 리뷰] Observational constraints on the origin of the elements. I. 3D NLTE formation of Mn lines in late-type stars

M. Bergemann, A. J. Gallagher외 10명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 13.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 78인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 저형성 항성에서 망간(Mn) 선의 3차원 비국소 열역학적 평형(NLTE) 복사전달 모델을 개발하였으며, 향상된 원자 데이터와 유체역학적 별대기 모델을 통합하였다. 1차원 LTE 모델에서의 Mn 기수는 심각하게 편향되어 있으며, 3차원 NLTE 보정을 통해 태양의 Mn 기수가 5.52±0.03 dex로 증가하여 우표 기준값과 일치하며, 금속 빈도가 낮은 항성인 HD 122563과 같은 항성에서 이온화/진동 불균형 문제를 해결하였다.

ABSTRACT

Manganese (Mn) is a key Fe-group elements, commonly employed in stellar population and nucleosynthesis studies to explore the role of SN Ia. We have developed a new non-local thermodynamic equilibrium (NLTE) model of Mn, including new photo-ionisation cross-sections and new transition rates caused by collisions with H and H- atoms. We applied the model in combination with 1-dimensional (1D) LTE model atmospheres and 3D hydrodynamical simulations of stellar convection to quantify the impact of NLTE and convection on the line formation. We show that the effects of NLTE are present in Mn I and, to a lesser degree, in Mn II lines, and these increase with metallicity and with effective temperature of a model. Employing 3D NLTE radiative transfer, we derive new abundance of Mn in the Sun, A(Mn)=5.52 +/- 0.03 dex, consistent with the element abundance in C I meteorites. We also apply our methods to the analysis of three metal-poor benchmark stars. We find that 3D NLTE abundances are significantly higher than 1D LTE. For dwarfs, the differences between 1D NLTE and 3D NLTE abundances are typically within 0.15 dex, however, the effects are much larger in the atmospheres of giants owing to their more vigorous convection. We show that 3D NLTE successfully solves the ionisation and excitation balance for the RGB star HD 122563 that cannot be achieved by 1D LTE or 1D NLTE modelling. For HD 84937 and HD 140283, the ionisation balance is satisfied, however, the resonance Mn I triplet lines still show somewhat lower abundances compared to the high-excitation lines. Our results for the benchmark stars confirm that 1D LTE modelling leads to significant systematic biases in Mn abundances across the full wavelength range from the blue to the IR. We also produce a list of Mn lines that are not significantly biased by 3D and can be reliably, within the 0.1 dex uncertainty, modelled in 1D NLTE.

연구 동기 및 목표

• 1D LTE 모델에서 비국소 열역학적 평형(NLTE) 효과와 3차원 별대기 대류를 忽시함으로써 발생하는 망간(Mn) 기수 측정의 체계적 편향을 해결하기 위함.
• 업데이트된 원자 데이터, 특히 광이온화 단면적과 H 및 H⁻와의 충돌률을 포함한 새로운 NLTE 모델을 개발하여 저형성 항성에서 Mn 기수 측정의 정확도를 향상시키기 위함.
• NLTE와 3차원 유체역학적 대류의 병합된 영향을 다양한 항성 유형과 금속 농도에서 Mn 선 형성에 미치는 영향을 정량화하기 위함.
• 특히 HD 122563과 같은 금속 빈도가 낮은 기준 항성에서 오랫동안 지속된 이온화 및 진동 균형 문제를 해결하기 위함.
• 3D 및 NLTE 효과에 거의 영향을 받지 않는 Mn 선을 특정하여, 체계적 불확실성이 감소한 1차원 NLTE 분석에 신뢰성 있게 사용할 수 있도록 하기 위함.

제안 방법

• 세밀한 양자역학적 광이온화 단면적과 H 및 H⁻ 원자와의 충돌률을 포함한 새로운 3차원 NLTE 복사전달 모델을 개발하여 Mn에 적용하였다.
• 비국소 열역학적 평형과 3차원 유동역학적 대류의 영향을 분리하기 위해 1D LTE 및 1D NLTE 모델 대기와 3차원 별대기 대류 시뮬레이션에 모델을 적용하였다.
• 자외선, 가시광선 및 적외선(H-대역) 영역에 걸친 Mn I 및 Mn II 선의 포괄적인 세트에 대해 복사전달 계산을 수행하였다.
• 3D NLTE 모델을 사용하여 태양과 세 개의 금속 빈도가 낮은 기준 항성인 HD 84937, HD 140283, HD 122563의 새로운 Mn 기수를 유도하였다.
• 1D LTE, 1D NLTE, 3D LTE 및 3D NLTE 시나리오의 결과를 비교하여 기수 측정에서의 체계적 편향을 정량화하였다.
• 3D 및 NLTE 효과에 거의 영향을 받지 않는 특정 Mn I 다중선(9, 23, 24, 32)을 특정하였으며, 이들의 편향은 0.1 dex 이하로, 1D NLTE 분석에 적합하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NLTE 및 3차원 대류 효과는 저형성 항성에서 Mn I 및 Mn II 선 형성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 1D LTE 모델은 금속 빈도가 낮고 거대 항성인 경우에 Mn 기수 측정을 얼마나 체계적으로 편향시키는가?
• RQ3 3D NLTE 모델링은 HD 122563과 같은 금속 빈도가 낮은 항성에서 오랫동안 지속된 이온화 및 진동 균형 문제를 해결할 수 있는가?
• RQ4 어느 Mn 선들이 3D 및 NLTE 효과에 강건하며, 1D NLTE 기수 분석에 신뢰성 있게 사용될 수 있는가?
• RQ5 3D NLTE 효과와 업데이트된 원자 데이터를 완전히 고려할 경우, 진정한 태양 Mn 기수는 얼마인가?

주요 결과

• 새로운 3D NLTE 태양 Mn 기수는 5.52±0.03 dex이며, CI 우표 기준 기수 5.50±0.03 dex와 뛰어난 일치를 보였다.
• 1D LTE는 태양 Mn 기수를 0.18 dex 과소평가한다(5.34±0.04 dex), 1D NLTE는 0.11 dex 과소평가한다(5.41±0.05 dex), 이는 3D NLTE의 필요성을 강조한다.
• 금속 빈도가 낮은 거대 항성인 HD 122563의 경우, 3D NLTE 기수는 1D LTE 결과보다 최대 1 dex 높으며, 이는 이전에 설명되지 않았던 이온화 및 진동 불균형 문제를 해결한다.
• 3D NLTE에서 3488 및 3497 Å의 Mn II 선은 3차원 비균일 대기에서 선 산란이 강화되어 1D 모델보다 현저히 강하다. 이는 1D LTE에서의 과대평가를 수정한다.
• 1D LTE에서 적외선 H-대역 Mn I 선은 0.2–0.35 dex의 편향을 보이지만, 1D NLTE와 3D NLTE 간의 차이는 뿐만 아니라 -0.15 dex로, 1D NLTE 연구에 대해 일관된 -0.15 dex 보정이 가능하다는 것을 시사한다.
• Mn I의 다중선 9, 23, 24, 32는 3D 및 NLTE 효과에 가장 적게 영향을 받으며, 편향이 0.1 dex 이하로, 신뢰성 있는 1D NLTE 기수 분석에 이상적이다.