[논문 리뷰] Oxygen lines in solar granulation. I. Testing 3D models against new observations with high spatial and spectral resolution

Tiago M. D. Pereira, D. Kiselman외 1명|Max Planck Institute for Plasma Physics|2009. 09. 12.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 40인용 수 31

한 줄 요약

이 연구는 태양의 밀도 중심에서 가장자리까지의 시야 각도 변화와 함께, 고공간 해상도 및 고스펙트럼 해상도 관측을 통해 삼차원 태양 대기모형을 산소 선의 관측과 비교한다. 그 결과 관측된 선 특성(강도, 이동, 형상, 비대칭성)과 예측된 특성 간에 뛰어난 일치를 보이며, 삼차원 모형이 태양 산소 농도를 유도하는 데 신뢰할 수 있음을 확인하고, 비등온 상태에서의 중성 수소 충돌 효율성에 대해 $S_{\mathrm{H}}=1$을 지지한다.

ABSTRACT

Aims: we seek to provide additional tests of the line formation of theoretical 3D solar photosphere models. In particular, we set out to test the spatially-resolved line formation at several viewing angles, from the solar disk-centre to the limb and focusing on atomic oxygen lines. The purpose of these tests is to provide additional information on whether the 3D model is suitable to derive the solar oxygen abundance. We also aim to empirically constrain the NLTE recipes for neutral hydrogen collisions, using the spatially-resolved observations of the OI 777 nm lines. Methods: using the Swedish 1-m Solar Telescope we obtained high-spatial-resolution observations of five atomic oxygen lines (along with lines for other species) for five positions on the solar disk. These observations have a high spatial and spectral resolution, and a continuum intensity contrast up to 9% at 615 nm. The theoretical line profiles were computed using the 3D model, with a full 3D NLTE treatment for oxygen and LTE for the other lines. Results: at disk-centre we find an excellent agreement between predicted and observed line shifts, strengths, FWHM and asymmetries. At other viewing angles the agreement is also good, but the smaller continuum intensity contrast makes a quantitative comparison harder. We use the disk-centre observations we constrain S_H, the scaling factor for the efficiency of collisions with neutral hydrogen. We find that S_H=1 provides the best match to the observations. Conclusions: overall there is a very good agreement between predicted and observed line properties over the solar granulation. This further reinforces the view that the 3D model is realistic and a reliable tool to derive the solar oxygen abundance.

연구 동기 및 목표

• 삼차원 태양 대기모형이 태양의 대기 격자 구조 전반에서 관측된 스펙트럼 선 특성을 얼마나 정확히 재현하는지 검증하기 위해.
• 삼차원 모형이 정확한 태양 산소 농도 결정에 적합한지 평가하기 위해.
• 공간 해상도가 확보된 산소 선을 이용해 비등온 상태에서 중성 수소의 충돌 효율 인자 $S_{\mathrm{H}}$를 경험적으로 제약하기 위해.
• 시야 각도(밀도 중심에서 가장자리까지)가 선 형성과 모형 일치도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 비등온 상태에서 대기 격자 영역과 간극 영역 간 등가 폭 변화의 불일치를 삼차원 모형에서 조사하기 위해.

제안 방법

• 스웨덴 1미터 태양망원경를 사용하여 다섯 개의 산소 선과 여러 개의 Fe i 선에 대한 고공간 해상도(1초 이하) 스펙트럼 관측을 수행하였다.
• 태양 디스크의 다섯 지점에서 관측을 수행하였으며, 이는 밀도 중심($\mu=1$)에서 가장자리($\mu \approx 0.2$)까지를 포함한다.
• 이론적 선 프로파일은 산소에 대해 전체 3차원 비등온 상태 처리를 적용한 3차원 유체역학적 태양 모형을 사용하여 계산하였다. 다른 원소는 등온 상태로 처리하였다.
• 등가 폭, 이동, FWHM, 비대칭성 등의 선 특성을 대기 격자 영역과 간극 영역에서 측정하고, 모형 예측과 비교하였다.
• 비등온 상태에서의 충돌 효율 인자 $S_{\mathrm{H}}$는 밀도 중심에서 관측된 선 프로파일과 모형 프로파일을 맞추어 제약하였다.
• 다항식 적합을 사용하여 연속기 밝기와 등가 폭의 변화를 분석하고, $\gamma_{\rm{bright}}$와 $\gamma_{\rm{dark}}$를 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀도 중심에서 삼차원 태양 모형은 대기 격자 전반에서 관측된 선 강도, 이동, 형상 특성을 정확히 재현하는가?
• RQ2 특히 가장자리 근처에서 다양한 시야 각도에서 삼차원 모형이 선 특성을 얼마나 잘 예측하는가?
• RQ3 비등온 상태에서 선 형성의 맥락에서 관측된 O i 777 nm 선 프로파일과 가장 잘 맞는 $S_{\mathrm{H}}$ 값은 무엇인가?
• RQ4 왜 비등온 상태 모형은 관측된 것보다 간극 영역에서 밝기 변화에 따라 등가 폭 변화가 더 급격하게 나타나는가?
• RQ5 고공간 해상도 관측은 모형과 관측 간의 선 프로파일 비대칭성 불일치를 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 밀도 중심에서 대부분의 산소 및 철 선에 대해 예측된 선 강도, 이동, FWHM, 비대칭성과 관측 결과 간에 뛰어난 일치를 보였다.
• 다른 시야 각도에서도 일치는 양호한 편이지만, 강도 대비 대비가 감소하여 정량적 비교가 더 어려워졌다.
• 비등온 상태에서의 충돌 효율 인자 $S_{\mathrm{H}}=1$이 밀도 중심에서 관측된 O i 777 nm 선 프로파일과 가장 잘 일치하였다. 다만 이 테스트는 밀도 중심에서 가장자리로의 변화보다는 덜 신뢰도가 높다.
• 비등온 상태 모형의 선 프로파일은 관측된 것보다 좁았으며, 관측된 선 형상은 더 높은 $S_{\mathrm{H}}$ 값을 사용한 모형과 더 잘 일치하였다. 이는 표준 절차에서 충돌 빈도가 과소평가되어 있을 가능성을 시사한다.
• 등가 폭의 밝기 변화 불일치—특히 간극 영역에서의 변화—는 현재의 $S_{\mathrm{H}}$ 처리 방식이 수소 충돌의 온도 및 압력 의존성에 대해 지나치게 단순화하고 있을 수 있음을 시사한다.
• 약한 O i 615.81 nm 선은 비등온 상태 효과가 거의 없었으며, 대기 격자 해상도 측정에서 루비 등온 상태 예측과 유의미한 차이가 없었다.