[论文解读] Oxygen lines in solar granulation. I. Testing 3D models against new observations with high spatial and spectral resolution

Tiago M. D. Pereira, D. Kiselman+1 more|Max Planck Institute for Plasma Physics|Sep 12, 2009

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 40被引用 31

一句话总结

本研究将3D太阳光球模型与太阳圆面范围内高空间分辨率和高光谱分辨率的氧线观测结果进行对比，重点分析了从圆面中心到边缘的颗粒状结构和视线角度的影响。研究发现，观测到的谱线特性（强度、多普勒位移、轮廓形状及不对称性）与模型预测值高度一致，证实了3D模型在推导太阳氧丰度方面的可靠性，并支持非局部热动平衡（NLTE）计算中中性氢碰撞效率因子$S_{\mathrm{H}}=1$。

ABSTRACT

Aims: we seek to provide additional tests of the line formation of theoretical 3D solar photosphere models. In particular, we set out to test the spatially-resolved line formation at several viewing angles, from the solar disk-centre to the limb and focusing on atomic oxygen lines. The purpose of these tests is to provide additional information on whether the 3D model is suitable to derive the solar oxygen abundance. We also aim to empirically constrain the NLTE recipes for neutral hydrogen collisions, using the spatially-resolved observations of the OI 777 nm lines. Methods: using the Swedish 1-m Solar Telescope we obtained high-spatial-resolution observations of five atomic oxygen lines (along with lines for other species) for five positions on the solar disk. These observations have a high spatial and spectral resolution, and a continuum intensity contrast up to 9% at 615 nm. The theoretical line profiles were computed using the 3D model, with a full 3D NLTE treatment for oxygen and LTE for the other lines. Results: at disk-centre we find an excellent agreement between predicted and observed line shifts, strengths, FWHM and asymmetries. At other viewing angles the agreement is also good, but the smaller continuum intensity contrast makes a quantitative comparison harder. We use the disk-centre observations we constrain S_H, the scaling factor for the efficiency of collisions with neutral hydrogen. We find that S_H=1 provides the best match to the observations. Conclusions: overall there is a very good agreement between predicted and observed line properties over the solar granulation. This further reinforces the view that the 3D model is realistic and a reliable tool to derive the solar oxygen abundance.

研究动机与目标

• 测试3D太阳光球模型在再现太阳颗粒状结构中观测到的谱线特性方面的现实性。
• 评估3D模型在精确测定太阳氧丰度方面的适用性。
• 利用空间分辨的氧线，实证约束非局部热动平衡（NLTE）计算中中性氢的碰撞效率因子$S_{\mathrm{H}}$。
• 评估视线角度（从圆面中心到边缘）对谱线形成及模型一致性的影响。
• 研究NLTE模型中颗粒状区域与间颗粒区域等效宽度变化的差异。

提出的方法

• 利用瑞典1米太阳望远镜获取了五条氧线及若干Fe i线的高空间分辨率（亚角秒级）光谱观测。
• 在太阳圆面五个位置进行观测，覆盖圆面中心（$\mu=1$）至边缘（$\mu \approx 0.2$）。
• 理论谱线轮廓通过包含氧的全3D非局部热动平衡（NLTE）处理和其它元素的局部热动平衡（LTE）处理的3D流体动力学太阳模型计算得出。
• 在颗粒状区域和间颗粒区域测量了谱线参数——等效宽度、多普勒位移、半高全宽（FWHM）和不对称性——并与模型预测值进行比较。
• 通过在圆面中心将模型轮廓拟合到观测轮廓，约束NLTE碰撞效率因子$S_{\mathrm{H}}$。
• 采用多项式拟合分析等效宽度随连续谱亮度的变化，量化$\gamma_{\rm{bright}}$和$\gamma_{\rm{dark}}$。

实验结果

研究问题

• RQ1 3D太阳模型是否能准确再现圆面中心处太阳颗粒状结构中观测到的谱线强度、位移和轮廓形状？
• RQ2 3D模型在不同视线角度（尤其是接近边缘时）对谱线特性的预测效果如何，特别是靠近边缘时？
• RQ3 在NLTE谱线形成背景下，哪个$S_{\mathrm{H}}$值最能匹配观测到的O i 777 nm谱线轮廓？
• RQ4 为何NLTE模型在间颗粒区域表现出比观测更陡的等效宽度随亮度变化趋势？
• RQ5 高空间分辨率观测能否解决模型与观测之间谱线轮廓不对称性差异的问题？

主要发现

• 在圆面中心，大多数氧线和铁线的预测值与观测值在谱线强度、多普勒位移、半高全宽（FWHM）和不对称性方面表现出极佳的一致性。
• 在其他视线角度下，一致性仍然良好，但因强度对比度降低，定量比较更具挑战性。
• NLTE碰撞效率因子$S_{\mathrm{H}}=1$在圆面中心对观测到的O i 777 nm谱线轮廓提供了最佳匹配，尽管该测试的稳健性不及中心到边缘的变化分析。
• NLTE模型轮廓比观测更窄，且观测到的谱线形状与采用更高$S_{\mathrm{H}}$值的模型更吻合，表明标准处理方法可能低估了碰撞速率。
• 等效宽度随亮度变化的差异（尤其在间颗粒区域）表明，当前$S_{\mathrm{H}}$的处理方式可能过于简化了氢碰撞的温度和压力依赖性。
• 弱O i 615.81 nm线的NLTE效应可忽略不计，在颗粒状结构分辨的测量中未表现出与LTE预测的显著偏离。