[論文レビュー] The solar carbon, nitrogen, and oxygen abundances from a 3D LTE analysis of molecular lines

A. M. Amarsi, N. Grevesse+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2021

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ひとこと要約

本研究では、時間に依存する3次元放射線流体力学的太陽大気モデルを用いて、太陽スペクトル中のC2、CH、NH、OH、CN、および12C16Oの408本の分子線について3次元LTE分析を実施した。太陽の元素分画は、log ϵC = 8.47 ± 0.02、log ϵN = 7.89 ± 0.04、log ϵO = 8.70 ± 0.04 であった。窒素は原子的指標と比較して0.12 dexの乖離を示したが、酸素および炭素は、以前の3次元非局所熱平衡（non-LTE）結果と良好に一致した。

ABSTRACT

Carbon, nitrogen, and oxygen are the fourth, sixth, and third most abundant elements in the Sun. Their abundances remain hotly debated due to the so-called solar modelling problem that has persisted for almost $20$ years. We revisit this issue by presenting a homogeneous analysis of $408$ molecular lines across $12$ diagnostic groups, observed in the solar intensity spectrum. Using a realistic 3D radiative-hydrodynamic model solar photosphere and LTE (local thermodynamic equilibrium) line formation, we find $\log\epsilon_{C} = 8.47\pm0.02$, $\log\epsilon_{N} = 7.89\pm0.04$, and $\log\epsilon_{O} = 8.70\pm0.04$. The stipulated uncertainties mainly reflect the sensitivity of the results to the model atmosphere; this sensitivity is correlated between the different diagnostic groups, which all agree with the mean result to within $0.03$ dex. For carbon and oxygen, the molecular results are in excellent agreement with our 3D non-LTE analyses of atomic lines. For nitrogen, however, the molecular indicators give a $0.12$ dex larger abundance than the atomic indicators, and our best estimate of the solar nitrogen abundance is given by the mean: $7.83$ dex. The solar oxygen abundance advocated here is close to our earlier determination of $8.69$ dex, and so the present results do not significantly alleviate the solar modelling problem.

研究の動機と目的

• 分子線を用いた太陽炭素、窒素、酸素分画の再評価により、長年の太陽モデル問題を解消すること。
• 太陽内部モデルとヘリオセイスミックの推定値の間にある乖離に対処すること。これは、透過率と組成に敏感である。
• 現代の3次元モデル大気を用いて、太陽スペクトルにおける分子診断の均一的かつ高精度な分析を提供すること。
• 特に、顕著な乖離が存在する窒素に関して、分子的および原子的分画指標を一致させること。
• 更新された分子データ、改善されたモデル大気、一貫性のある線形成手法が、元素分画決定に与える影響を評価すること。

提案手法

• Asplundら（2009）の太陽組成を用いた、効果的温度5773 Kの時間に依存する3次元放射線流体力学的太陽大気モデル（STAGGER-grid）を採用した。
• 3次元モデル大気を用いて、分子遷移の理論的スペクトルを合成するためのLTE線形成計算を実施した。
• 信号対雑音比が高く、等価幅が信頼できる408本のブレンドなし分子線を、12の診断グループ（C2、CH、NH、OH、CN、12C16O）に分類して選定した。
• Liège、Hamburg、ATMOS、ACEの高分解能太陽アトラスから等価幅を測定し、データセット間の相互確認を実施した。
• 近年の高精度なコンパイレーション（Brooke ら 2013–2016；Masseron ら 2014；Li ら 2015；Barklem & Collet 2016）から一貫性のある原子データ（遷移確率、分配関数）を適用した。
• 分画分画曲線法を用いて元素分画を導出し、不確実性は主にモデル大気への感受性に起因する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元LTE線形成を用いた分子線から導かれる太陽炭素、窒素、酸素分画は何か？
• RQ2 分子線の結果は、C、N、Oについて以前の3次元非局所熱平衡（non-LTE）原子分画推定値とどのように比較できるか？
• RQ3 分子指標は太陽モデル問題をどれほど解消するか、あるいは悪化させるか？
• RQ4 分子的および原子的窒素分画の乖離の原因は何か？そして、これを是正できるか？
• RQ5 更新された分子データおよび3次元モデル大気が、太陽分画決定の精度および一貫性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 太陽炭素分画は log ϵC = 8.47 ± 0.02 と決定され、3次元非局所熱平衡（non-LTE）原子線分析と良好に一致した。
• 分子線からの太陽窒素分画は log ϵN = 7.89 ± 0.04 であり、Amarsi ら（2020a）の3次元非局所熱平衡（non-LTE）原子結果と比較して0.12 dex高い。
• 太陽酸素分画は log ϵO = 8.70 ± 0.04 であり、3次元非局所熱平衡（non-LTE）原子結果の8.69 dexと一致しており、Asplund ら（2009）の値よりもわずかに0.01 dex高い。
• 分子結果は優れた内部一貫性を示しており、12の診断グループすべてが平均値から±0.03 dex以内に一致した。
• 原子指標と比較して0.06 dex高い窒素分画は、ブレンド、モデル感受性、または非局所熱平衡（non-LTE）効果に起因する系のずれを示唆している。
• 分子分画を採用することで、太陽表面金属量Zは0.0142に、Z/Xは0.0191に上昇した。窒素は増加の35％を占め、観測不確実性の範囲内に留まった。