[논문 리뷰] Three-dimensional hydrodynamical CO5BOLD model atmospheres of red giant stars. IV. Oxygen diagnostics in extremely metal-poor red giants with infrared OH lines

V. Dobrovolskas, A. Kučinskas외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 23.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 40인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 3D 유체역학적 CO5BOLD 모델 대기 구조를 통해 적외선 OH 선에서 산소 농도를 결정할 때 대류 효과를 보정함으로써 극도로 금속 농도가 낮은 적색 거성에서 산소 농도 측정치를 크게 향상시킨다. 적용된 3D 보정치는 −0.2에서 −0.3 dex로, OH 선 기반 산소 농도가 [O I] 630 nm 선 결과와 강하게 일치하게 되어 오랫동안 지속된 모순을 해결하고, 3D 모델을 사용할 경우 적외선 OH 선이 EMP 별에서 신뢰할 수 있는 산소 지표로 사용될 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

Context. Although oxygen is an important tracer of Galactic chemical evolution, measurements of its abundance in the atmospheres of the oldest Galactic stars are still scarce and rather imprecise. At the lowest end of the metallicity scale, oxygen can only be measured in giant stars and in most of cases such measurements rely on a single forbidden [O I] 630 nm line that is very weak and frequently blended with telluric lines. Although molecular OH lines located in the ultraviolet and infrared could also be used for the diagnostics, oxygen abundances obtained from the OH lines and the [O I] 630 nm line are usually discrepant to a level of ~0.3-0.4 dex. Aims. We study the influence of convection on the formation of the infrared (IR) OH lines and the forbidden [O I] 630 nm line in the atmospheres of extremely metal-poor (EMP) red giant stars. Methods. We used high-resolution and high signal-to-noise ratio spectra of four EMP red giant stars obtained with the VLT CRIRES spectrograph. For each EMP star, 4-14 IR OH vibrational-rotational lines located in the spectral range of 1514-1548 and 1595-1632 nm were used to determine oxygen abundances by employing standard 1D LTE abundance analysis methodology. We then corrected the 1D LTE abundances obtained from each individual OH line for the 3D hydrodynamical effects. Results. We find that the influence of convection on the formation of [O I] 630 nm line in the atmospheres of EMP giants studied here is minor, which leads to very small 3D-1D abundance corrections (< -0.01 dex). On the contrary, IR OH lines are strongly affected by convection and thus the abundance corrections for these lines are significant, 3D-1D ~ -0.2 ... -0.3 dex. These abundance corrections do indeed bring the 1D LTE oxygen abundances of EMP red giants obtained using IR OH lines into better agreement with those determined from the [O I] 630 nm line.

연구 동기 및 목표

• 극도로 금속 농도가 낮은 (EMP) 적색 거성에서 적외선 OH 선과 [O I] 630 nm 선으로 유도된 산소 농도 간 오랫동안 지속된 모순을 해결하기 위해.
• EMP 별 대기에서 적외선 OH 선과 [O I] 630 nm 선의 형성에 3D 대류 효과가 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 3D 유체역학적 모델 대기 구조가 EMP 거성에서 다양한 스펙트럼 지표로부터 유도된 산소 농도를 조율할 수 있는지 확인하기 위해.
• 3D 효과를 보정한 후에 적외선 OH 선이 EMP 별에서 산소 농도 지표로 신뢰할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• European Southern Observatory의 Very Large Telescope(CRIRES 분광계를 사용하여, 네 명의 EMP 적색 거성의 고해상도(R = 50,000) 및 고신호대비비(S/N ≈ 200–600) 스펙트럼을 확보하였다.
• 1514–1548 nm 및 1595–1632 nm 범위 내 4~14개의 적외선 OH 진동-회전 선에 대해 1D 국소 열역학적 평형(LTE) 농도 분석을 적용하여 初기 산소 농도를 유도하였다.
• 대류 효과를 보정하기 위해 CO5BOLD 3D 유체역학적 모델과 LHD 1D 정적 모델 대기 구조를 사용하여 3D–1D LTE 농도 보정치를 계산하였다.
• 1D LTE 산소 농도에 3D 보정치를 적용하여, [O I] 630 nm 선 결과와의 일치도에 미치는 영향을 평가하였다.
• 최종 산소 농도는 지표 간 비교를 실시하였으며, 통계적 산란을 이용하여 불확도를 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3D 유체역학적 효과는 극도로 금속 농도가 낮은 적색 거성 대기에서 적외선 OH 선 형성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 1D LTE 분석에 비해 3D 효과는 적외선 OH 선으로부터 유도된 산소 농도에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 3D 보정된 산소 농도가 EMP 거성에서 적외선 OH 선으로부터 유도된 값이 [O I] 630 nm 선 결과와 일치하는가?
• RQ4 3D 모델 대기 구조를 사용할 경우 적외선 OH 선이 EMP 별에서 신뢰할 수 있는 산소 농도 지표로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• [O I] 630 nm 선의 3D–1D 농도 보정치는 극히 미미하며, Δ3D–1D ≤ −0.01 dex로, 이는 대류가 이 선에 거의 영향을 주지 않음을 시사한다.
• 반면에, 적외선 OH 선은 대류의 영향을 크게 받아, −0.2에서 −0.3 dex의 상당한 3D–1D 농도 보정치를 보인다.
• 3D 보정을 적용한 후, 적외선 OH 선에서 유도된 1D LTE 산소 농도 평균(⟨A(O)⟩ = 6.61 ± 0.21)은 [O I] 630 nm 선 결과(⟨A(O)⟩ = 6.52 ± 0.33)와 매우 밀접하게 일치한다.
• 네 별에 대한 3D 보정 산소 농도는 [Fe/H] = −3.0에서 [O/Fe] = 0.7을 나타내며, 이는 이론 모델과 이전 연구 결과와 일치한다.
• 적외선 OH 선은 [O I] 630 nm 선보다 상당히 강하며, 여러 개의 교란되지 않은 선이 이용 가능하므로 통계적 유의성이 더 높다.
• 이 연구는 3D 유체역학적 모델 대기 구조가 EMP 거성에서 적외선 OH 선을 통한 산소 농도 정확한 결정에 필수적임을 확인한다.