[논문 리뷰] Oxygen Line Formation in Late-F through Early-K Disk/Halo Stars: Infrared O I Triplet and [O I] Lines

Yoichi Takeda|2001. 05. 14.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 34인용 수 53

한 줄 요약

이 연구는 저연성의 F형에서 조기K형의 디스크 및 할로우 성성에서 산소 선의 비- LTE 효과를 조사한다. 특히 적외선 O I 삼중선(7771–5)과 금지선 [O I] 선(6300/6363)을 대상으로 한다. 광범위한 비-LTE 계산을 통해 O I 삼중선은 선 강도와 대기층 매개변수에 따라만 영향을 받는 비-LTE 보정이 필요한 이중준위원자 산란 모델로 잘 기술되며, 금속성에 대한 의존성이 없음을 확인하였고, [O I] 선은 LTE가 유효하다. 금속성 낮은 할로우 성성에서 O I와 [O I] 선 간의 체계적인 0.3 dex의 농도 불일치가 확인되었으며, 비-LTE 보정 이후에도 지속되므로, 이러한 성성에서 산소 농도 측정에 근본적인 문제가 있음을 시사한다.

ABSTRACT

In order to investigate the formation of O {\sc i} 7771--5 and [O {\sc i}] 6300/6363 lines, extensive non-LTE calculations for neutral atomic oxygen were carried out for wide ranges of model atmosphere parameters, which are applicable to early-K through late-F halo/disk stars of various evolutionary stages. The formation of the triplet O {\sc i} lines was found to be well described by the classical two-level-atom scattering model, and the non-LTE correction is practically determined by the parameters of the line-transition itself without any significant relevance to the details of the oxygen atomic model. This simplifies the problem in the sense that the non-LTE abundance correction is essentially determined only by the line-strength ($W_λ$), if the atmospheric parameters of $T_{ m eff}$, $\log g$, and $ξ$ are given, without any explicit dependence of the metallicity; thus allowing a useful analytical formula with tabulated numerical coefficients. On the other hand, our calculations lead to the robust conclusion that LTE is totally valid for the forbidden [O {\sc i}] lines. An extensive reanalysis of published equivalent-width data of O {\sc i} 7771--5 and [O {\sc i}] 6300/6363 taken from various literature resulted in the conclusion that, while a reasonable consistency of O {\sc i} and [O {\sc i}] abundances was observed for disk stars ($-1 \la [{ m Fe}/{ m H}] \la 0$), the existence of a systematic abundance discrepancy was confirmed between O {\sc i} and [O {\sc i}] lines in conspicuously metal-poor halo stars ($-3 \la [{ m Fe}/{ m H}] \la -1$) without being removed by our non-LTE corrections, i.e., the former being larger by $\sim 0.3$ dex at $-3 \la [{ m Fe}/{ m H}] \la -2$.

연구 동기 및 목표

• 저연성의 F형에서 조기K형의 디스크 및 할로우 성성에서 적외선 O I 삼중선과 금지선 [O I] 선의 형성 메커니즘을 조사하기 위해.
• 이 선들로부터 산소 농도를 결정할 때 비-LTE 효과의 영향을 평가하기 위해.
• 금속성 낮은 성성에서 O I 및 [O I] 선으로부터 유도된 산소 농도 간 오랫동안 지속된 불일치를 해결하기 위해.
• 이 불일치가 비-LTE 효과 때문인지 또는 본질적인 천체물리적 문제 때문인지를 규명하기 위해.
• 금속성 낮은 성성에 적용 가능한 매개변수 의존적인 분석 보정 공식을 제공하기 위해.

제안 방법

• 디스크 및 할로우 성성에 적합한 광범위한 모델 대기층 매개변수(Teff, log g, ξ)에 대해 중성 산소에 대한 광범위한 비-LTE 복사전달 계산을 수행하였다.
• O I 삼중선 형성은 이중준위원자 산란 모델을 적용하였으며, 소스 함수 해는 Rybicki의 수치 기법을 사용하여 유도하였다.
• 비-LTE 보정이 선 강도(Wλ), 유효 온도, 표면중력, 원자 모델 매개변수에 어떻게 의존하는지 평가하였다.
• LTE 및 비-LTE 탈출 복사량을 비교하여 등가폭을 계산하고 비-LTE 농도 보정(Δ)을 유도하였다.
• 다양한 문헌 자료에서 제공된 등가폭 데이터를 재분석하여 다양한 금속성 범위에서 O I 및 [O I] 농도를 비교하였다.
• 3D 유체역학적 모델 대기층이 농도 보정에 미치는 영향을 평가하였으며, O I 및 [O I] 선에 대해 그 영향은 미미한 것으로 결론내렸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비-LTE 효과가 저연성의 F형에서 조기K형 성성에서 O I 7771–5 삼중선 형성에 상당한 영향을 미치는가?
• RQ2 금속성 낮은 성성에서 관측된 O I 및 [O I] 산소 농도 간 불일치는 비-LTE 효과 때문인지, 아니면 본질적인 천체물리적 요인 때문인가?
• RQ3 선 강도와 대기층 매개변수만으로도 O I 삼중선에 대한 일반적인 비-LTE 보정 공식을 유도할 수 있는가?
• RQ4 O I 삼중선의 비-LTE 보정은 금속성에 어떻게 의존하는가? 그리고 이 의존성이 모델에서 제안한 바와 같이 무시할 만큼 작은가?
• RQ5 왜 O I–[O I] 농도 불일치는 디스크 성성보다 금속성 낮은 할로우 성성에서 더 두드러지는가?

주요 결과

• O I 7771–5 삼중선의 비-LTE 보정은 주로 선 강도(Wλ)와 대기층 매개변수(Teff, log g, ξ)에 의해 결정되며, 금속성에 대한 의존성은 무시할 만큼 작다.
• O I 삼중선 형성은 이중준위원자 산란 모델로 잘 기술되며, 이는 비-LTE 보정이 선 강도와 국소 대기층 조건에만 의존함을 단순화한다.
• 금지선 [O I] 6300/6363 선에 대해서는 LTE가 강력하게 유효하며, 비-LTE 보정은 미미하다(|Δ| < 0.1 dex).
• 금속성 낮은 할로우 성성(−3 ≤ [Fe/H] ≤ −1)에서 O I 및 [O I] 농도 간 체계적인 0.3 dex의 불일치가 확인되었으며, 비-LTE 보정 이후에도 지속된다.
• 더 높은 Teff/log g 성성에서는 불일치가 덜 두드러지므로, 낮은 금속성 계열에서 신뢰할 수 있는 산소 농도 연구에는 주계열 또는 주변형 성성이 더 적합하다.
• 3D 유체역학적 모델 대기층 보정은 결론에 큰 영향을 주지 않으며, O I 및 [O I] 선에 대한 영향은 미미하거나 무시할 만큼 작다.