[논문 리뷰] The solar carbon, nitrogen, and oxygen abundances from a 3D LTE analysis of molecular lines

A. M. Amarsi, N. Grevesse외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 10.

Astro and Planetary Science참고 문헌 69인용 수 37

한 줄 요약

이 연구는 시간에 따라 변화하는 3D 복사수열-유체역학 태양 대기 모델을 사용하여 태양 스펙트럼에서 C2, CH, NH, OH, CN 및 12C16O의 408개의 분자선에 대한 3D LTE 분석을 수행한다. 태양의 원소 농도를 log ϵC = 8.47 ± 0.02, log ϵN = 7.89 ± 0.04, log ϵO = 8.70 ± 0.04로 유도하였으며, 질소는 원자 지표와 비교해 0.12 dex의 차이를 보였지만, 산소와 탄소는 이전의 3D 비- LTE 결과와 잘 일치하였다.

ABSTRACT

Carbon, nitrogen, and oxygen are the fourth, sixth, and third most abundant elements in the Sun. Their abundances remain hotly debated due to the so-called solar modelling problem that has persisted for almost $20$ years. We revisit this issue by presenting a homogeneous analysis of $408$ molecular lines across $12$ diagnostic groups, observed in the solar intensity spectrum. Using a realistic 3D radiative-hydrodynamic model solar photosphere and LTE (local thermodynamic equilibrium) line formation, we find $\log\epsilon_{C} = 8.47\pm0.02$, $\log\epsilon_{N} = 7.89\pm0.04$, and $\log\epsilon_{O} = 8.70\pm0.04$. The stipulated uncertainties mainly reflect the sensitivity of the results to the model atmosphere; this sensitivity is correlated between the different diagnostic groups, which all agree with the mean result to within $0.03$ dex. For carbon and oxygen, the molecular results are in excellent agreement with our 3D non-LTE analyses of atomic lines. For nitrogen, however, the molecular indicators give a $0.12$ dex larger abundance than the atomic indicators, and our best estimate of the solar nitrogen abundance is given by the mean: $7.83$ dex. The solar oxygen abundance advocated here is close to our earlier determination of $8.69$ dex, and so the present results do not significantly alleviate the solar modelling problem.

연구 동기 및 목표

• 분자선을 이용한 태양 탄소, 질소, 산소 농도 재평가를 통해 오랫동안 지속된 태양 모델링 문제를 해결하고자 한다.
• 태양 내부 모델과 헬리오세미크 측정 간의 괴리 문제를 다루며, 이는 투과도와 조성에 민감하게 반응한다.
• 현대적 3D 모델 대기 구조를 사용하여 태양 스펙트럼 내 분자 진단의 균일하고 고정밀한 분석을 제공하고자 한다.
• 특히 질소에서 심각한 괴리가 존재하는 분자 및 원자 농도 지표를 조율하고자 한다.
• 업데이트된 분자 데이터, 향상된 모델 대기 및 일관된 선형 형성 방법이 원소 농도 결정에 미치는 영향을 평가하고자 한다.

제안 방법

• Asplund et al. (2009)의 태양 조성과 효과온도 5773 K를 갖는 3D 복사수열-유체역학 태양 대기 모델(STAGGER-grid)을 사용하였다.
• 3D 모델 대기 구조를 활용해 이론 스펙트럼을 합성하기 위해 LTE 선 형성 계산을 수행하였다.
• 신호 대 잡음비가 높고 등가폭이 신뢰할 수 있는 408개의 블렌딩되지 않은 분자선을 선택하였으며, 이는 C2, CH, NH, OH, CN, 12C16O 등 12개의 진단 그룹에 해당한다.
• 고해상도 태양 아틀라스(Liège, Hamburg, ATMOS, ACE)에서 등가폭을 측정하였으며, 데이터 세트 간 상호 검증을 실시하였다.
• 최근 고정밀 컴파일레이션(Brooke et al. 2013–2016; Masseron et al. 2014; Li et al. 2015; Barklem & Collet 2016)에서 유래한 일관된 원자 데이터(전이 확률, 분할 함수)를 적용하였다.
• 등가폭 곡선 분석을 통해 원소 농도를 유도하였으며, 불확실성은 주로 모델 대기 민감도에 의해 결정되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3D LTE 선 형성 방법을 사용해 분자선으로부터 태양 탄소, 질소, 산소 농도는 무엇인가?
• RQ2 분자선 결과는 C, N, O에 대해 이전의 3D 비- LTE 원자 농도 결정과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 분자 지표는 태양 모델링 문제를 어느 정도 해결하거나 악화시키는가?
• RQ4 분자와 원자 질소 농도 간의 괴리 원인은 무엇이며, 이를 조율할 수 있는가?
• RQ5 업데이트된 분자 데이터와 3D 모델 대기 구조가 태양 농도 결정의 정밀도와 일관성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 태양 탄소 농도는 log ϵC = 8.47 ± 0.02로 도출되었으며, 3D 비- LTE 원자선 분석 결과와 뛰어난 일치를 보였다.
• 분자선을 통한 태양 질소 농도는 log ϵN = 7.89 ± 0.04로, Amarsi et al. (2020a)의 3D 비- LTE 원자 결과보다 0.12 dex 높았다.
• 태양 산소 농도는 log ϵO = 8.70 ± 0.04로, 3D 비- LTE 원자 결과인 8.69 dex와 일치하였으며, Asplund et al. (2009)의 값보다 뿐만 아니라 0.01 dex 뿐만 높았다.
• 분자 결과는 놀라운 내부 일관성을 보였으며, 모든 12개의 진단 그룹이 평균값으로부터 ±0.03 dex 이내로 일치하였다.
• 원자 지표와 비교해 분자선에서 질소 농도가 0.06 dex 더 높은 것은 체계적인 오프셋을 시사하며, 이는 블렌딩, 모델 민감도 또는 비- LTE 효과에서 기인할 수 있다.
• 분자 농도를 채택함으로써 태양 표면 금속성 Z는 0.0142로, Z/X는 0.0191로 증가하였으며, 이 중 질소가 증가분의 35% 기여하였다. 그러나 변화는 관측 불확실성 범위 내에 머물렀다.