[논문 리뷰] The photospheric solar oxygen project: III. Investigation of the centre-to-limb variation of the 630nm [OI]-NiI blend

E. Caffau, H.‐G. Ludwig외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 02.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 38인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 3D 유체역학 모델링을 사용하여 태양 스펙트럼에서 630 nm [O I]-Ni I 블렌드의 중심-편심 변화를 분석하여 산소와 니켈 기여도를 분리한다. 낮은 니켈 농도(A(Ni) ≈ 6.1)가 중심-편심 각도 전반에 걸쳐 일관된 산소 농도(A(O) = 8.73 ± 0.05)를 제공함을 발견하여 낮은 태양 산소 농도를 지지하지만, 636 nm 선과의 지속적인 0.06 dex의 격차는 여전히 남아 있다.

ABSTRACT

The solar photospheric abundance of oxygen is still a matter of debate. For about ten years some determinations have favoured a low oxygen abundance which is at variance with the value inferred by helioseismology. Among the oxygen abundance indicators, the forbidden line at 630nm has often been considered the most reliable even though it is blended with a NiI line. In Papers I and Paper II of this series we reported a discrepancy in the oxygen abundance derived from the 630nm and the subordinate [OI] line at 636nm in dwarf stars, including the Sun. Here we analyse several, in part new, solar observations of the the centre-to-limb variation of the spectral region including the blend at 630nm in order to separate the individual contributions of oxygen and nickel. We analyse intensity spectra observed at different limb angles in comparison with line formation computations performed on a CO5BOLD 3D hydrodynamical simulation of the solar atmosphere. The oxygen abundances obtained from the forbidden line at different limb angles are inconsistent if the commonly adopted nickel abundance of 6.25 is assumed in our local thermodynamic equilibrium computations. With a slightly lower nickel abundance, A(Ni)~6.1, we obtain consistent fits indicating an oxygen abundance of A(O)=8.73+/-0.05. At this value the discrepancy with the subordinate oxygen line remains. The derived value of the oxygen abundance supports the notion of a rather low oxygen abundance in the solar hotosphere. However, it is disconcerting that the forbidden oxygen lines at 630 and 636nm give noticeably different results, and that the nickel abundance derived here from the 630nm blend is lower than expected from other nickel lines.

연구 동기 및 목표

• 630 nm [O I]와 636 nm [O I] 선에서 유도된 태양 산소 농도의 격차를 630 nm 블렌드의 중심-편심 변화 분석을 통해 해결하기 위해.
• 고해상도 태양 관측을 통해 630 nm 스펙트럼 블렌드 내 산소와 니켈의 개별 기여도를 규명하기 위해.
• 다양한 편심 각도에서 일관성 있는지 평가함으로써 630 nm 금지선이 태양 산소 농도 지표로 신뢰할 수 있는지 평가하기 위해.
• 630 nm와 636 nm 선 간의 산소 농도 불일치가 잘못된 니켈 농도 가정 때문인지 또는 모델 한계 때문인지 조사하기 위해.
• 3D CO5BOLD 태양 대기 모델이 태양 디스크 전반에서 관측된 선형형을 얼마나 잘 재현하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• VTT, SST, THEMIS, Hinode 등의 기기들을 사용하여 여러 편심 각도(μ)에서 고해상도 태양 강도 스펙트럼을 확보하기 위해.
• 관측된 스펙트럼 프로파일을 3D CO5BOLD 유체역학적 태양 대기 모델에서 계산된 합성 프로파일과 비교하기 위해.
• 다양한 니켈 농도(A(Ni))를 가진 국소 열역학적 평형(LTE) 복사전달 계산을 사용하여 관측된 블렌드에 최적화하기 위해.
• 630 nm 선에서 유도된 산소 농도의 불확실성을 추정하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 적용하기 위해.
• 관측된 등가폭과 프로파일 형상을 일치시키기 위해 Ni I 선의 진동수 강도(log gf) 조정하기 위해.
• 특히 고해상도 VTT 데이터에서의 합성 선 broadening 효과 평가를 통해 모델의 속도장 정확도 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 630 nm [O I]-Ni I 블렌드의 중심-편심 변화가 산소와 니켈 기여도를 신뢰성 있게 분리하는 데 가능할까?
• RQ2 다양한 편심 각도에서 일관된 산소 농도 측정을 위해 필요한 니켈 농도는 무엇인가?
• RQ3 두 선 모두 금지 전이임에도 불구하고 630 nm 선에서 유도된 산소 농도가 636 nm 선에서 유도된 산소 농도와 다른 이유는 무엇인가?
• RQ4 3D 유체역학적 모델이 고해상도에서 관측된 선형형을 어느 정도 잘 재현하는가?
• RQ5 특히 편심부에서 관측된 합성 프로파일과의 넓이 확산은 무엇 때문인가, 특히 편심부에서 관측된 고해상도 데이터와 비교할 때?

주요 결과

• 산소 농도가 중심-편심 각도 전반에 걸쳐 일관되게 유도되기 위해서는 표준 값 6.25가 아니라 A(Ni) ≈ 6.1의 낮은 니켈 농도를 가정해야 한다.
• 유도된 산소 농도는 A(O) = 8.73 ± 0.05이며, 이는 광구에서 낮은 태양 산소 농도를 지지한다.
• 3D 모델에서 유도된 합성 선 프로파일은 특히 고해상도 VTT 데이터에서 관측된 것보다 체계적으로 넓어 보이며, 모델에서 속도장이 과대평가되었을 가능성이 있다.
• 낮은 편심 각도(μ < 0.2)에서의 관측 스펙트럼은 모델에 의해 잘 재현되지 않으며, 이는 태양의 구형성과 코로나 영향을 간과했기 때문일 것이다.
• 수정된 Ni 농도를 적용한 후 630 nm와 636 nm 선 간의 산소 농도 격차는 0.06 dex로 감소했지만, 여전히 설명되지 않는다.
• 630 nm 블렌드에서 Ni I 선의 기여도는 log gf 값 4.00에서 가장 잘 맞으며, 이는 이전에 가정된 것보다 낮은 농도임을 시사한다.