[논문 리뷰] Three-dimensional hydrodynamical CO5BOLD model atmospheres of red giant stars. III. Line formation in the atmospheres of giants located close to the base of RGB

V. Dobrovolskas, Kučinskas, A.외 6명|arXiv (Cornell University)|2013. 10. 29.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 22인용 수 26

한 줄 요약

이 연구는 적색거성 기저부 근처의 네 개의 적색거성 (Teff ≈ 5000 K, log g = 2.5, [M/H] = 0.0, -1.0, -2.0, -3.0)에서 대류가 스펙트럼 선 형성에 미치는 영향을 분석하기 위해 3D 유체역학적 CO5BOLD 및 1D LHD 모델 대기구조를 사용한다. 수평 온도 변동으로 인해 [M/H] = -3.0에서 이온화 포텐셜이 낮고, 중간 이하의 이온화 포텐셜을 가진 중성 원소의 원소 농도 보정치는 -0.8 dex에 이르며, 분자선(예: CO)은 -1.5 dex까지 보정치를 보이며, 금속 빈도가 낮은 별의 원소 농도 연구에서 3D 모델의 필수성을 강조한다.

ABSTRACT

We utilize state-of-the-art 3D hydrodynamical and classical 1D stellar model atmospheres to study the influence of convection on the formation properties of various atomic and molecular spectral lines in the atmospheres of four red giant stars, located close to the base of the red giant branch, RGB ($T_{\mathrm eff}\approx5000$ K, $\log g=2.5$), and characterized by four different metallicities, [M/H] = 0.0, -1.0, -2.0, -3.0. The role of convection in the spectral line formation is assessed with the aid of abundance corrections, i.e., the differences in abundances predicted for a given equivalent width of a particular spectral line with the 3D and 1D model atmospheres. We find that for lines of certain neutral atoms the abundance corrections strongly depend both on metallicity of a given model atmosphere and the line excitation potential. While abundance corrections for all lines of both neutral and ionized elements tend to be small at solar metallicity, for lines of neutral elements with low ionization potential and low-to-intermediate $χ$ they quickly increase with decreasing metallicity, reaching in their extremes to -0.6...-0.8 dex. In all such cases the large abundance corrections are due to horizontal temperature fluctuations in the 3D hydrodynamical models. Abundance corrections of molecular lines are very sensitive to metallicity of the underlying model atmosphere and may be larger (in absolute value) than -0.5 dex at [M/H] = -3.0 (-1.5 dex in the case of CO). We also find that an approximate treatment of scattering in the 3D model calculations leads to the abundance corrections that are altered by less than ~0.1 dex, both for atomic and molecular (CO) lines, with respect to the model where scattering is treated as true absorption throughout the entire atmosphere, with the largest differences for the resonance and low-excitation lines.

연구 동기 및 목표

• 적색거성 기저부 근처의 적색거성에서 3D 유체역학이 스펙트럼 선 형성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 3D 및 1D 모델 간의 대류 유도 온도 변동과 대기 구조의 차이가 원자 및 분자선 형성에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 다양한 별의 물리적 조건에서 금속 농도, 이온화 포텐셜, 이온화 포텐셜에 따른 농도 보정치의 민감도를 평가하기 위해.
• 산란 처리 및 혼합길이 파rameter (αMLT) 가 3D 모델의 농도 보정치에 미치는 영향을 검토하기 위해.
• 농도 보정치가 400–1600 nm 범위의 파장에 따라 유의미하게 변화하는지 여부를 확인하기 위해.

제안 방법

• 3D 유체역학적 모델 대기구조는 CO5BOLD 코드를 사용하여 시간에 따라 변화하는 대류를 시뮬레이션하여 계산하였다.
• 1D 모델 대기구조는 동일한 입력 매개변수(Teff, log g, [M/H], 조성, 상태방정식, 투과도)를 사용하여 LHD 코드로 생성하였으며, 직접 비교를 위해 사용하였다.
• 농도 보정치는 동일한 스펙트럼선의 등가폭에 대해 3D 및 1D 모델에서 유도된 농도의 차이로 계산되었다.
• 두 모델 모두 동일한 선 목록과 투과도 처리를 사용하여 복사전달을 해결하였으며, 투과도가 얇은 영역에서 산란을 진짜 흡수로 처리한 경우와 무시한 경우를 비교하였다.
• 1D 모델에서 혼합길이 파rameter (αMLT) 를 변화시켜 농도 보정치에 미치는 영향을 평가하기 위해 테스트를 실시하였다.
• 농도 보정치의 파장 의존성 평가를 위해 400–1600 nm 파장 범위에서 선 형성 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3D 유체역학적 효과, 특히 수평 온도 변동이 적색거성 기저부 근처의 적색거성에서 스펙트럼 선 형성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 3D 모델에서 1D 모델과 비교해 볼 때 원자 및 분자선의 농도 보정치가 금속 농도와 이온화 포텐셜에 따라 얼마나 의존하는가?
• RQ3 외부 대기에서 산란 처리의 영향이 3D 모델 대기구조에서의 농도 보정치에 얼마나 중요한가?
• RQ4 특히 고이온화 포텐셜 선에 대해, 1D 모델에서 혼합길이 파arameter (αMLT) 의 선택이 농도 보정치에 얼마나 민감하게 영향을 미치는가?
• RQ5 이러한 모델 대기구조에서 400–1600 nm 범위에서 농도 보정치가 유의미하게 파장 의존성을 보이는가?

주요 결과

• 이온화 포텐셜이 낮은 중성 원소(Mg i, Ti i, Fe i, Ni i 등)의 농도 보정치는 [M/H] = -3.0에서 저-중간 이온화 포텐셜(χ)에서 -0.8 dex에 이르며, 주로 3D 모델의 수평 온도 변동으로 인한 것이다.
• 이온화된 원소 및 이온화 포텐셜이 높은 중성 원소(Eion ≥ 10 eV)의 농도 보정치는 모든 금속 농도 및 이온화 포텐셜에서 작고(≤ ±0.1 dex) 유지된다.
• 분자선, 특히 CO는 [M/H] = -3.0에서 최대 -1.5 dex의 큰 농도 보정치를 보이며, 3D 모델에서 금속 농도에 매우 민감함을 시사한다.
• 농도 보정치는 400–1600 nm 범위에서 파장에 따라 거의 변화가 없으며, 이는 대류 효과가 넓은 스펙트럼 영역에서 일관되게 중요함을 의미한다.
• 외부 대기에서 산란을 무시할 경우 농도 보정치는 0.1 dex 이내로 변화하며, 특히 공명선 및 저이온화 포텐셜 선에서 가장 큰 영향을 받는다.
• 약한, 저이온화 포텐셜 선(χ < 6 eV)에 대해서는 혼합길이 파arameter (αMLT) 의 민감도가 미미하지만, 고이온화 포텐셜 선(예: Fe ii, χ = 10 eV)의 경우 최대 0.1 dex까지 영향을 미치며, 특히 저금속 농도에서 두드러진다.