[논문 리뷰] Stellar laboratories. VIII. New Zr IV - VII, Xe IV - V, and Xe VII oscillator strengths and the Al, Zr, and Xe abundances in the hot white dwarfs G191-B2B and RE0503-289

T. Rauch, Sébastien Gamrath외 6명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 21.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 37인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 Zr IV–VII, Xe IV–V 및 Xe VII에 대한 새로운 비국소 열역학적 평형(NLTE) 진동수를 제시하여, 고온 백색왜성(RE0503-289)에서 지르코늄의 첫 번째 검출을 가능하게 하였다. 측정된 지르코늄 농도는 log ε(Zr) = −3.5 ± 0.2 (약 11,500배 태양 농도)였다. 또한 희토류 농도 측정을 −3.9 ± 0.2 (약 7,500배 태양 농도)로 개선하였으며, G191-B2B에서 Zr 및 Xe에 대한 상한선을 확립하여, 정밀한 원자 데이터가 고온 항성 대기 모델링에서 핵심적인 역할을 한다는 것을 입증하였다.

ABSTRACT

For the spectral analysis of high-resolution and high-signal-to-noise spectra of hot stars, state-of-the-art non-local thermodynamic equilibrium (NLTE) model atmospheres are mandatory. These are strongly dependent on the reliability of the atomic data that is used for their calculation. To search for Zr and Xe lines in the ultraviolet (UV) spectra of G191-B2B and RE0503-289, new Zr IV-VII, Xe IV-V, and Xe VIII oscillator strengths were calculated. This allows for the first time, determination of the Zr abundance in white dwarf (WD) stars and improvement of the Xe abundance determinations. We calculated Zr IV-VII, Xe IV-V, and Xe VIII oscillator strengths to consider radiative and collisional bound-bound transitions of Zr and Xe in our NLTE stellar-atmosphere models for the analysis of their lines exhibited in UV observations of the hot WDs G191-B2B and RE0503-289. We identified one new Zr IV, 14 new Zr V, and ten new Zr VI lines in the spectrum of RE0503-289. Zr was detected for the first time in a WD. We measured a Zr abundance of -3.5 +/- 0.2 (logarithmic mass fraction, approx. 11 500 times solar). We dentified five new Xe VI lines and determined a Xe abundance of -3.9 +/- 0.2 (approx. 7500 times solar). We determined a preliminary photospheric Al abundance of -4.3 +/- 0.2 (solar) in RE0503-289. In the spectra of G191-B2B, no Zr line was identified. The strongest Zr IV line (1598.948 A) in our model gave an upper limit of -5.6 +/- 0.3 which is about 100 times solar. No Xe line was identified in the UV spectrum of G191-B2B and we confirmed the previously determined upper limit of -6.8 +/- 0.3 (ten times solar). Precise measurements and calculations of atomic data are a prerequisite for advanced NLTE stellar-atmosphere modeling. Observed Zr IV - VI and Xe VI - VII line profiles in the UV spectrum of RE0503-289 were simultaneously well reproduced.

연구 동기 및 목표

• Zr 및 Xe 이온에 대한 새로운 신뢰할 수 있는 진동수를 제공하여 고온 백색왜성에서의 별 농도 측정 정확도를 향상시키기 위해.
• 고해상도 우주선 스펙트럼 및 고도로 발전된 NLTE 모델링을 통해 백색왜성에서 지르코늄의 첫 번째 검출을 가능하게 하기 위해.
• 새로운 스펙트럼 선을 규명하고 원자 데이터를 개선함으로써 고온 백색왜성에서 희토류 농도 측정을 정밀화하기 위해.
• 고신호 대비 잡음 비율이 높은 우주선 스펙트럼을 활용하여 G191-B2B에서 Zr 및 Xe에 대한 정밀한 상한선을 설정하기 위해.
• 다양한 이온화 상태를 동시에 피팅하여 관측된 선 프로파일이 NLTE 모형 대기와 일치하는지를 검증하기 위해.

제안 방법

• 고급 원자 구조 계산을 통해 Zr IV–VII, Xe IV–V 및 Xe VIII에 대한 새로운 진동수를 계산하였다.
• 고온 백색왜성에서 스펙트럼 선 형성 과정을 시뮬레이션하기 위해 비국소 열역학적 평형(NLTE) 별 대기 모델을 적용하였다.
• G191-B2B 및 RE0503-289의 고해상도, 고신호 대비 잡음 비율의 우주선 스펙트럼을 분석하여 Zr 및 Xe의 스펙트럼 선을 식별하고 피팅하였다.
• 합성 스펙트럼 피팅을 통해 관측된 선 프로파일을 일치시키고 원소 농도를 유도하였다.
• 모델 예측값과 관측된 선 프로파일을 비교하여 새로운 원자 데이터의 신뢰성 여부를 검증하였다.
• 스펙트럼 피팅 및 데이터 품질 기반으로 오차 분석을 수행하여 농도 불확도를 도출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고온 백색왜성 RE0503-289에서 지르코늄의 농도는 얼마이며, 개선된 원자 데이터를 통해 처음으로 검출될 수 있는가?
• RQ2 Xe IV–V 및 Xe VII에 대한 새로운 진동수는 고온 백색왜성에서 희토류 농도 측정 정확도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 백색왜성 G191-B2B에서 지르코늄 및 희토류에 대한 상한선은 무엇이며, 이전 추정치와 비교해보면 어떠한가?
• RQ4 RE0503-289에서 관측된 Zr IV–VI 및 Xe VI–VII의 선 프로파일이 새로운 원자 데이터로 생성된 합성 스펙트럼과 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ5 NLTE 모델에 개선된 원자 데이터를 통합할 경우, 고온 항성 대기에서 원소 농도 측정의 신뢰성은 어떻게 향상되는가?

주요 결과

• 백색왜성에서 지르코늄이 처음으로 검출되었으며, RE0503-289에서 측정된 농도는 log ε(Zr) = −3.5 ± 0.2로 태양 농도의 약 11,500배에 해당한다.
• RE0503-289에서 15개의 새로운 Zr 선이 식별되었으며, 이는 Zr IV 1개, Zr V 14개, Zr VI 10개로, 모두 유도된 농도와 일치한다.
• RE0503-289에서 희토류 농도는 log ε(Xe) = −3.9 ± 0.2로 결정되었으며, 이는 약 7,500배 태양 농도에 해당하며, 다섯 개의 새로운 Xe VI 선을 기반으로 한다.
• G191-B2B에서는 Zr 선이 검출되지 않아 상한선 log ε(Zr) < −5.6 ± 0.3(약 100배 태양 농도)로 도출되었다.
• G191-B2B에서는 Xe 선이 확인되지 않아 이전에 확립된 상한선 log ε(Xe) < −6.8 ± 0.3(약 10배 태양 농도)를 확인하였다.
• RE0503-289에서 관측된 Zr IV–VI 및 Xe VI–VII의 선 프로파일이 동시에 잘 일치하는 NLTE 합성 스펙트럼으로 재현되었으며, 이는 새로운 원자 데이터 및 모델링 방법의 타당성을 검증하였다.