[논문 리뷰] The solar photospheric abundance of europium. Results from CO5BOLD 3-D hydrodynamical model atmospheres

A. Mucciarelli, E. Caffau외 3명|arXiv (Cornell University)|2008. 03. 06.

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한 줄 요약

이 연구는 CO5BOLD 3D 유체역학적 모델 대기구조를 사용하여 태양 광구 농도를 재평가하며, 1D 모델과의 비교를 수행한다. 3D 보정을 거친 태양 유로피움 농도는 A(Eu) = 0.518 ± 0.024 dex로 나타나며, 1D 결과와 뛰어난 일치를 보이며, 태양형 항성에서 유로피움에 대한 3D 효과는 무시할 만할 정도로 작고, 모든 시험된 선과 모델에서 ±0.01 dex 이내의 보정을 보인다.

ABSTRACT

Context. Europium is an almost pure r-process element, which may be useful as a reference in nucleocosmochronology. Aims. To determine the photospheric solar abundance using CO5BOLD 3-D hydrodynamical model atmospheres. Methods. Disc-centre and integrated-flux observed solar spectra are used. The europium abundance is derived from the equivalent width measurements. As a reference 1D model atmospheres have been used, in addition. Results. The europium photospheric solar abundance is 0.52 +- 0.02 in agreement with previous determinations. We also determine the photospheric isotopic fraction of Eu(151) to be 49 % +- 2.3 % from the intensity spectra and 50% +-2.3 from the flux spectra. This compares well to the the meteoritic isotopic fraction 47.8%. We explore the 3D corrections also for dwarfs and sub-giants in the temperature range ~5000 K to ~6500 K and solar and 1/10--solar metallicities and find them to be negligible for all the models investigated. Conclusions. Our photospheric Eu abundance is in good agreement with previous determinations based on 1D models. This is in line with our conclusion that 3D effects for this element are negligible in the case of the Sun.

연구 동기 및 목표

• 최신 3D 유체역학적 모델 대기구조를 사용하여 태양 광구 유로피움 농도를 결정하기 위해.
• 특히 전통적인 1D 모델과 비교하여 3D 대기 효과가 유로피움 농도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 핵우주화학 연대 측정 및 r-과정 연구에 핵심적인 요소인 유로피움과 같은 원소에 대해 3D 모델의 신뢰성을 평가하기 위해.
• 태양 스펙트럼에서 유도된 동위원소 비율을 우주선에서의 값과 비교하여 분석을 검증하기 위해.
• 특히 태양 및 태양 금속성 별에서 5000–6500 K 온도 범위에서 3D 보정이 중요하게 작용하는지 여부를 검토하기 위해.

제안 방법

• 태양 광구를 모델링하기 위해 CO5BOLD 3D 유체역학적 시뮬레이션을 사용하였으며, 25개의 시간 및 공간적으로 해상도가 높은 스냅샷을 활용하였다.
• 고해상도, 고신호대비비율 태양 스펙트럼(디스크 중심 강도 및 통합 복사율 관측 자료)을 대상으로 SYNTHE 코드를 사용하여 스펙트럼 합성 분석을 수행하였다.
• 유로피움 선의 등가폭을 계산하고, 3D CO5BOLD 모델과 여러 1D 기준 모델(ATLAS9, Holweger & Müller, LHD)을 사용하여 농도를 유도하였다.
• 선 분석에 있어 국소 열역학적 평형(NLTE) 효과 및 초미세구조를 고려한 보정을 적용하였다.
• 유동 효과를 분리하기 위해 3D 결과를 3D 평균 및 1D 모델(LHD, ATLAS9 포함)과 비교하여 3D 보정을 계산하였다.
• 스펙트럼 선 강도 비율을 통해 151Eu의 동위원소 분율을 산정하고, 우주선에서의 값(47.8%)과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3D 유체역학적 모델 대기구조를 사용하여 유도된 태양 광구 유로피움 농도는 얼마인가?
• RQ2 기존 1D 모델과 비교할 때 3D 대기 효과는 유로피움 농도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 특히 5000–6500 K 온도 범위와 태양 및 1/10 태양 금속성 별에서 유로피움에 대한 3D 보정은 유의미한가?
• RQ4 태양 스펙트럼에서 유도된 151Eu/153Eu 동위원소 비율은 우주선 값과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 LHD와 ATLAS9 등 다양한 1D 기준 모델이 3D 모델링의 맥락에서 유로피움 농도 유도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 3D 보정을 거친 태양 광구 유로피움 농도는 A(Eu) = 0.518 dex이며, 표준편차는 0.024로, 복사율 및 강도 스펙트럼의 평균을 통해 유도되었다.
• 3D-⟨3D⟩ 보정(수평 온도 변동을 나타냄)은 복사율 스펙트럼에서 –0.009 dex(σ = 0.016), 강도 스펙트럼에서 0.010 dex(σ = 0.003)로 매우 미미하며, 무시할 만하다.
• 3D–1D_LHD 보정(동일한 상태방정식 및 투과율을 사용한 1D 모델과 비교) 역시 무시할 만하며, 복사율 스펙트럼에서 평균 0.004 dex(σ = 0.013), 강도 스펙트럼에서 0.021 dex(σ = 0.004)였다.
• 151Eu의 동위원소 분율은 강도 스펙트럼에서 49% ± 2.3%, 복사율 스펙트럼에서 50% ± 2.3%로 측정되었으며, 우주선 값인 47.8%와 뛰어난 일치를 보였다.
• 모든 시험된 모델과 금속성에서, 특히 5000–6500 K 범위의 태양 및 1/10 태양 금속성 별에서 유로피움에 대한 3D 보정은 무시할 만하다.
• 이 연구는 3D 효과가 태양 유로피움 농도를 유의미하게 변화시키지 않으며, 이는 이전의 1D 결과를 지지하고, 태양형 항성에서 이 원소에 대해 1D 모델을 사용하는 것이 타당하다는 것을 검증한다.