[논문 리뷰] Self-broadening in Balmer line wing formation in stellar atmospheres

P. S. Barklem, N. Piskunov외 1명|arXiv (Cornell University)|2000. 10. 02.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 4인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 다극자 전개를 사용하지 않고 반응성 및 분산-유도 상호작용(반데발스 힘을 통한)을 포함한 복잡한 양자역학적 이론을 제시하여 별대기에서 수소 선의 자가확장에 대해 정밀하게 다룬다. 이론은 분산-유도 효과를 포함함으로써 냉각성 별, 특히 금속 농도가 낮은 별에서 합성된 프로파일과 관측된 프로파일 간의 일치도를 크게 향상시키며, 이는 이전의 Ali & Griem (1966) 이론이 분산-유도 상호작용을 忽시하고 있어 선 너비를 약 2배로 과소평가하고 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Details of a theory of self-broadening of hydrogen lines are presented. The main features of the new theory are that the dispersive-inductive components of the interaction (van der Waals forces) have been included, and the resonance components have been computed by perturbation theory without the use of the multipole expansion. The theory is applied to lower Balmer lines and the theoretical and observational impact of the new broadening theory is examined. It is shown that this theory leads to considerable differences in the predicted line profiles in cool stars when compared with previous theories which include only resonance interactions. In particular, the effect is found to be very important in metal poor stars. The theory provides a natural explanation for the behaviour of effective temperatures derived from Balmer lines by others using a theory which includes only resonance broadening. When applied to Balmer lines in the solar spectrum the theory predicts an improved agreement between observed and computed profiles for models which also match limb darkening curves and rules out a model which does not. However significant discrepancies still remain which could be due to inadequacies in our theory or the atmospheric model or both.

연구 동기 및 목표

• 냉각성 별에서 별대기 내 수소 선 자가확장에 대해 더 정확한 이론적 프레임워크를 개발하는 것.
• Ali & Griem (1966) 이론의 한계를 해결하는 것 — 이 이론은 분산-유도 상호작용을 忽시하고 있으며, 너비를 약 2배로 과소평가한다.
• 관측된 발마르 선 프로파일과 합성 모델 간의 일관성을 향상시키는 것 — 특히 금속 농도가 낮은 별과 태양의 광구에서.
• 이전에 서로 모순되는 모델 수용성 문제를 해결하는 것 — 즉, 발마르 선 프로파일과 림 어두움 곡선을 동시에 일치시키는 데 실패한 모델들 사이의 모순을 해결한다.
• 발마르 선을 진단 도구로 사용하여 보다 정확한 효과적 온도를 결정하는 데 기초를 마련하는 것.

제안 방법

• 시간에 따라 변하는 섭동 이론을 사용하여 전자-원자 상호작용을 공식적인 양자역학적으로 다루어 반응성 및 분산-유도 기여도를 계산하는 방법.
• 반데발스 힘을 통해 분산-유도 상호작용을 포함하고, 반응성 항목에 대해 다극자 전개를 사용하지 않는 방법.
• 다양한 금속 농도와 온도 구조를 가진 모델 별대기에서 하이드로젠 발마르 선(Hα, Hβ, Hγ)에 이 те올리를 적용하는 방법.
• 새로운 너비 이론을 사용하여 선 프로파일을 합성하고 관측된 태양 및 별 스펙트럼과 비교하는 방법.
• KOVER, HOLMUL, MARCS, ATLAS 등의 여러 대기 모델을 사용하여 림 어두움 및 선 프로파일 데이터와의 일관성과 견고성을 시험하는 방법.
• 선 중심에서의 탈조거리를 변화시켜 영향 근사의 타당성을 평가하는 방법.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 냉각성 별대기에서 분산-유도 상호작용은 반응성 기여도에 비해 발마르 선 자가확장을 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 분산-유도 효과를 포함함으로써 합성된 발마르 선 프로파일과 관측된 프로파일 간의 일치도가 태양 및 금속 농도가 낮은 별에서 얼마나 향상되는가?
• RQ3 왜 이전의 모델들은 Ali & Griem (1966) 이론을 사용할 경우 발마르 선 프로파일과 림 어두움 곡선을 동시에 일치시키지 못했는가?
• RQ4 새로운 너비 이론은 발마르 선으로 유도된 효과적 온도와 다른 방법(예: 적외선 복사)으로 유도된 온도 간의 괴리를 해결할 수 있는가?
• RQ5 Hα 및 Hβ에 대해 영향 근사의 유효 범위는 무엇이며, 다양한 대기 조건에서 선형 프로파일 합성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 분산-유도 상호작용을 포함함으로써 외부 선날개의 강도가 크게 증가하여 관측 결과와의 일치도가 향상된다 — 특히 Hα 및 Hβ의 외부 날개에서 두드러진다.
• 새로운 이론을 HOLMUL 모델에 적용함으로써 관측된 선 프로파일과 합성된 프로파일 간의 괴리가 감소하며, 이전에는 림 어두움 곡선을 일치시키지 못했던 모델이 이제는 일치 가능해진다.
• 이전에 발마르 선을 잘 일치시키는 것으로 여겨졌지만 림 어두움과 불일치하던 KNOVER 모델은 새로운 이론을 적용하면 배제되며, 오랫동안 지속된 모델 간 갈등이 해결된다.
• 금속 농도가 낮은 별에서는 분산-유도 너비 효과가 특히 두드러지며, 이는 이전 Ali & Griem (1966) 이론을 사용할 경우 유도된 비정상적인 효과적 온도를 자연스럽게 설명해 준다.
• 태양 스펙트럼에 대해서는 새로운 이론이 선날개 부분에서 합성 프로파일을 향상시키며, 림 어두움을 동시에 일치시키는 모델과도 일치를 보인다 — 비록 잔여 괴리점은 존재한다.
• 초기 결과에 따르면, 새로운 이론을 사용할 경우 발마르 선으로 유도된 효과적 온도와 다른 방법(예: 적외선 복사)으로 유도된 온도 사이의 상관관계가 Ali & Griem (1966) 접근법보다 더 강하게 나타난다.