[논문 리뷰] The solar photospheric nitrogen abundance. Analysis of atomic transitions with 3D and 1D model atmospheres

E. Caffau, E. Maiorca외 6명|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|2009. 03. 19.

Atmospheric Ozone and Climate참고 문헌 29인용 수 69

한 줄 요약

이 연구는 3D 유체역학적(CO 5 BOLD) 및 1D 모델 대기와 비국소 열역학적 평형(NLTE) 및 격자화 효과를 고려한 원자 스펙트럼선 분석을 통해 태양 광구 질소 농도를 결정한다. 저자들은 A(N) = 7.86 ± 0.12를 제안하며, 업데이트된 산소 및 neon 농도와 조합함으로써 태양의 금속성 Z = 0.0156 및 Z/X = 0.0213를 산출한다. 이는 광구 농도가 헬리오세이즘 제약 조건과 보다 잘 일치하도록 한다.

ABSTRACT

CONTEXT: In recent years, the solar chemical abundances have been studied in considerable detail because of discrepant values of solar metallicity inferred from different indicators, i.e., on the one hand, the "sub-solar" photospheric abundances resulting from spectroscopic chemical composition analyses with the aid of 3D hydrodynamical models of the solar atmosphere, and, on the other hand, the high metallicity inferred by helioseismology. AIMS: After investigating the solar oxygen abundance using a CO5BOLD 3D hydrodynamical solar model in previous work, we undertake a similar approach studying the solar abundance of nitrogen, since this element accounts for a significant fraction of the overall solar metallicity, Z. METHOD: We used a selection of atomic spectral lines to determine the solar nitrogen abundance, relying mainly on equivalent width measurements in the literature. We investigate the influence on the abundance analysis, of both deviations from local thermodynamic equilibrium ("NLTE effects") and photospheric inhomogeneities ("granulation effects"). RESULTS: We recommend use of a solar nitrogen abundance of A(N)=7.86+-0.12 whose error bar reflects the line-to-line scatter. CONCLUSION: The solar metallicity implied by the CO5BOLD-based nitrogen and oxygen abundances is in the range 0.0145<= Z <= 0.0167. This result is a step towards reconciling photospheric abundances with helioseismic constraints on Z. Our most suitable estimates are Z=0.0156 and Z/X=0.0213.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 스펙트럼선을 사용하고 고급 3D 모델 대기를 적용하여 태양 광구 질소 농도를 결정하는 것.
• 질소 농도 결정에 영향을 미치는 비국소 열역학적 평형(NLTE) 효과와 광구 격자화 효과를 평가하는 것.
• 광구 농도 결정값을 태양 금속성(Z)에 대한 헬리오세이즘 제약 조건과 조율하는 것.
• 현재 사용 중인 태양 스펙트럼 아틀라스의 일관성 평가 및 선 측정에서의 체계적 불확실성 규명.
• 기존의 탄소 및 neon 값과 함께 업데이트된 질소, 산소, neon 농도를 조합하여 태양 금속성을 신뢰할 수 있는 추정치로 산출하는 것.

제안 방법

• 고해상도 태양 스펙트럼 아틀라스에서 등가폭 측정를 통해 원자 질소 스펙트럼선 분석.
• CO 5 BOLD 3D 유체역학적 태양 대기 모델을 적용하여 복사 전달 및 선 형성 계산.
• 선 형성에서 局부 열역학적 평형에서의 이탈을 반영하기 위해 비국소 열역학적 평형(NLTE) 보정 적용.
• 대기 비균일성(격자화 효과)의 영향을 정량화하기 위해 3D 및 1D 모델 대기의 결과 비교.
• 최종 불확실도 도출을 위해 농도 결정에서 선 간 산란 기반의 체계적 오차 추정.
• 유도된 질소 농도를 문헌상 산소, neon, 탄소 값과 조합하여 총 태양 금속성(Z) 및 Z/X 계산.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3D 모델 대기와 NLTE 보정을 적용한 분석에서 태양 광구 질소 농도는 얼마인가?
• RQ2 격자화 효과와 비국소 열역학적 이탈은 유도된 질소 농도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 업데이트된 질소 농도로 인해 광구와 헬리오세이즘 금속성 추정치 간의 격차는 어느 정도 감소하는가?
• RQ4 역사적 태양 스펙트럼 아틀라스 간의 불일치는 농도 결정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 산소, neon, 탄소의 기존 값과 새로운 질소 농도를 조합했을 때 태양 금속성(Z)은 얼마인가?

주요 결과

• 권장되는 태양 광구 질소 농도는 A(N) = 7.86 ± 0.12이며, 선 간 산란을 반영하고 3D 및 NLTE 효과를 고려한 것이다.
• 3D 모델 대기는 1D 모델 대비 질소 농도를 낮추지만, 이 차이는 이전에 상정한 것보다 작다.
• 이 연구는 역사적 태양 스펙트럼 아틀라스 간에 심각한 불일치를 규명하여, 노이즈 수준을 초월한 체계적 불확실성을 유발한다.
• 새로운 N 및 O 농도를 Grevesse & Sauval (1998)의 Ne 및 C 값과 조합하면 태양 금속성은 Z = 0.0156 및 Z/X = 0.0213가 된다.
• 이 금속성 범위(0.0145 ≤ Z ≤ 0.0167)는 광구 농도가 헬리오세이즘 제약 조건(약 Z ≈ 0.017–0.024)과 보다 잘 일치하도록 한다.
• 결과적으로 광구와 헬리오세이즘 금속성 추정치 간의 갈등이 크게 감소했지만, 완전히 해결되지는 않았다.