[论文解读] The photospheric solar oxygen project: IV. 3D-NLTE investigation of the 777 nm triplet lines

M. Steffen, D. Prakapavičius+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2015

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 31被引用 6

一句话总结

本研究采用3D非局部热动平衡（non-LTE）辐射转移建模方法，对太阳光球层O I 777 nm三重线进行分析，基于高分辨率中心到边缘太阳光谱重新评估了太阳光球层氧的丰度。研究发现，3D非-LTE氧丰度为A(O) = 8.76 ± 0.02 dex，其中中性氢碰撞激发需采用约S_H ≈ 1.6的缩放因子；而1D模型由于微湍流假设存在缺陷，导致其得出的丰度系统性偏低。

ABSTRACT

The solar photospheric oxygen abundance is still widely debated. Adopting the solar chemical composition based on the "low" oxygen abundance, as determined with the use of three-dimensional (3D) hydrodynamical model atmospheres, results in a well-known mismatch between theoretical solar models and helioseismic measurements that is so far unresolved. We carry out an independent redetermination of the solar oxygen abundance by investigating the center-to-limb variation of the OI IR triplet lines at 777 nm in different sets of spectra with the help of detailed synthetic line profiles based on 3D hydrodynamical CO5BOLD model atmospheres and 3D non-LTE line formation calculations with NLTETD. The idea is to simultaneously derive the oxygen abundance,A(O), and the scaling factor SH that describes the cross-sections for inelastic collisions with neutral hydrogen relative the classical Drawin formula. The best fit of the center-to-limb variation of the triplet lines achieved with the CO5BOLD 3D solar model is clearly of superior quality compared to the line profile fits obtained with standard 1D model atmospheres. Our best estimate of the 3D non-LTE solar oxygen abundance is A(O) = 8.76 +/- 0.02, with the scaling factor SH in the range between 1.2 and 1.8. All 1D non-LTE models give much lower oxygen abundances, by up to -0.15 dex. This is mainly a consequence of the assumption of a $μ$-independent microturbulence.

研究动机与目标

• 为解决理论太阳模型与日震观测之间长期存在的差异问题，该差异在使用1D-LTE模型导出的低氧丰度时依然存在。
• 利用3D流体动力学模型大气和非-LTE谱线形成方法，重新确定太阳光球层氧的丰度，同时考虑太阳光球层中空间和速度结构的影响。
• 通过自洽方式确定缩放因子S_H，探究非弹性碰撞中性氢（H）对O I 777 nm三重线的作用。
• 将3D非-LTE结果与1D模型及Holweger-Müller参考模型进行比较，评估简化大气假设引入的系统性偏差。
• 评估不同观测数据集和分析方法（轮廓拟合与等效宽度拟合）下，777 nm三重线所确定的氧丰度是否一致，并识别当前丰度测定中的不确定性来源。

提出的方法

• 利用瑞典1米太阳望远镜（La Palma）和基特峰真空太阳望远镜获取的高分辨率、高信噪比中心到边缘太阳光谱。
• 采用3D流体动力学CO5BOLD模型大气模拟太阳光球层，包含真实的对流运动和温度非均匀性。
• 使用NLTE3D代码执行3D非-LTE辐射转移计算，生成O I 777 nm三重线的合成轮廓，考虑偏离局部热动平衡的影响。
• 通过卡方最小化方法，同时拟合多个边缘角（μ）处的观测轮廓，推导出氧丰度A(O)和碰撞缩放因子S_H。
• 采用两种独立的拟合策略：(1) 对所有边缘角直接进行轮廓拟合，(2) 等效宽度拟合，以验证结果的一致性。
• 将3D模型结果与1D模型大气（包括Holweger-Müller和标准1D模型）的结果进行比较，评估微湍流假设的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 当3D非-LTE效应和O I 777 nm三重线的中心到边缘变化被一致建模时，太阳光球层氧的丰度是多少？
• RQ2 中性氢非弹性碰撞的缩放因子S_H如何影响轮廓合成与丰度测定？
• RQ3 为何1D模型大气得出的氧丰度系统性低于3D模型？其偏差的根源是什么？
• RQ4 不同观测数据集和分析方法（轮廓拟合与等效宽度拟合）在推导的氧丰度上的一致性程度如何？
• RQ5 3D非-LTE分析是否可通过得出更高的氧丰度，从而调和日震观测与理论太阳模型之间的不匹配？

主要发现

• 最佳拟合的3D非-LTE模型得出太阳氧丰度为A(O) = 8.76 ± 0.02 dex，基于对多个边缘角处轮廓的同步拟合。
• 中性氢的最优碰撞缩放因子为S_H = 1.6 ± 0.2，表明碰撞效率高于经典Drawin公式的预测。
• 1D模型大气的轮廓拟合效果显著劣于3D模型，且导致系统性偏低的氧丰度，偏差最高达-0.15 dex。
• 1D模型中假设微湍流与μ无关，是造成丰度偏差的主要原因，因其无法真实反映太阳光球层的速度结构。
• 所有来自不同光谱和拟合方法的3D非-LTE结果均落在狭窄范围8.74 < A(O) < 8.78内，证实了极高的内部一致性。
• 本研究结论认为，从CO5BOLD 3D模型视角来看，太阳氧丰度低于A(O) = 8.70 dex的可能性已极低，支持了为调和太阳模型与日震观测差异所需更高的氧丰度值。