[논문 리뷰] The Stagger-grid: A Grid of 3D Stellar Atmosphere Models - II. Horizontal and Temporal Averaging and Spectral Line Formation

Z. Magic, R. Collet외 2명|2013. 07. 11.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 26인용 수 34

한 줄 요약

이 논문은 Stagger-grid의 3D 항성 대기 모델에 대한 다양한 평균화 방법을 평가하며, 이를 통해 LTE 스펙트럼 선 형성에 미치는 영향을 분석한다. 그 결과, 열역학적 압력 기반 평균화($\langle\mathrm{3D}\rangle_m$)가 전체 3D 선 강도를 가장 잘 재현하는 것으로 나타났고, 광학적 두께 기반 평균화($\langle\mathrm{3D}\rangle_\tau$)는 비선형 투과도 효과와 금속 빈도가 낮은 항성에서의 역전된 그레뉴레이션으로 인해 성능이 떨어지는 것으로 밝혀졌다. 특히 저이(excitation) 잠재력을 가진 Fe I 선에 대해 더욱 두드러진다.

ABSTRACT

We study the implications of averaging methods with different reference depth scales for 3D hydrodynamical model atmospheres computed with the Stagger-code. The temporally and spatially averaged (hereafter denoted as <3D>) models are explored in the light of local thermodynamic equilibrium (LTE) spectral line formation by comparing spectrum calculations using full 3D atmosphere structures with those from <3D> averages. We explore methods for computing mean <3D> stratifications from the Stagger-grid time-dependent 3D radiative hydro- dynamical atmosphere models by considering four different reference depth scales (geometrical depth, column-mass density, and two optical depth scales). Furthermore, we investigate the influence of alternative averages (logarithmic or enforced hydrostatic equilibrium, flux-weighted temperatures). For the line formation we compute curves of growth for Fe i and Fe ii lines in LTE . The resulting <3D> stratifications for the four reference depth scales can be considerably different. We find typically that in the upper atmosphere and in the superadiabatic region just below the optical surface, where the temperature and density fluctuations are highest, the differences become considerable and increase for higher Teff, lower logg, and lower [Fe/H]. The differential comparison of spectral line formation shows distinctive differences depending on which <3D> model is applied. The averages over layers of constant column-mass density yield the best mean <3D> representation for LTE line formation, while the averages on layers at constant geometrical height are the least appropriate. Unexpectedly, the usually preferred averages over layers of constant optical depth are prone to the increasing interference of the reversed granulation towards higher effective temperature, in particular at low metallicity.

연구 동기 및 목표

• 기하학적 높이, 열역학적 압력, 광학적 두께 등 다양한 기준 깊이 척도가 시간과 공간 평균화된 3D 항성 대기 모델에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• Fe I 및 Fe II 선의 LTE 형성 특성을 유지하는 데 있어 어떤 평균화 방법이 가장 우수한지 규명하기 위해.
• 금속 빈도가 낮은 항성에서의 역전된 그레뉴레이션의 역할과 평균화 방법에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 스펙트럼 분석 및 항성 파라미터 결정에 있어 $\langle\mathrm{3D}\rangle$ 모델의 최적 사용법을 제안하기 위해.
• 1D 모델의 한계와 금속 빈도가 낮은 항성에 대해 $\langle\mathrm{3D}\rangle$ 모델의 적합성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 기하학적 높이, 열역학적 압력 밀도, 그리고 두 가지 로사렌드 유사 광학적 두께 척도를 사용하여 $\langle\mathrm{3D}\rangle$ 구조를 계산하였다.
• Stagger-grid의 시간에 따라 변화하는 3D RHD 모델을 다양한 $T_{\mathrm{eff}}$, $\log g$, 및 $[\mathrm{Fe}/\mathrm{H}]$ 범위에서 시간적·공간적 평균화를 적용하였다.
• 전체 3D 모델과 각 $\langle\mathrm{3D}\rangle$ 변종을 사용하여 Fe I 및 Fe II 선의 LTE 스펙트럼 선 형성 계산을 수행하였다.
• 전체 3D 모델과 $\langle\mathrm{3D}\rangle$ 모델 간의 선 프로파일 및 성장 곡선을 비교하여 차이를 정량화하였다.
• 광학적 두께 정의에서 기인하는 비선형 투과도 효과가 평균화된 모델의 통계적 성질에 미치는 영향을 분석하였다.
• 로그arithmic 평균, 복사 에너지 가중 온도, 강제 수직 평형 조건 등 다른 평균화 방법을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기하학적, 열역학적 압력, 광학적 두께 등 다양한 기준 깊이 척도가 전체 3D 대기 구조를 나타내는 데 있어 $\langle\mathrm{3D}\rangle$ 모델의 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 왜 광학적 두께 기반 평균화($\langle\mathrm{3D}\rangle_\tau$)가 열역학적 압력 기반 평균화($\langle\mathrm{3D}\rangle_m$)보다 스펙트럼 선 형성에서 성능이 열 劣하는가?
• RQ3 금속 빈도가 낮은 항성에서의 역전된 그레뉴레이션은 특히 일정한 광학적 두께 기반 평균화된 $\langle\mathrm{3D}\rangle$ 모델의 통계적 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 1D MLT 모델이 전체 3D 및 $\langle\mathrm{3D}\rangle$ 모델 대비 금속 빈도가 낮은 항성에서 스펙트럼 선 강도를 얼마나 잘못 재현하는가?
• RQ5 Stagger-grid의 $\langle\mathrm{3D}\rangle$ 모델을 사용할 때 스펙트럼 합성에 가장 적합한 평균화 방법은 무엇인가?

주요 결과

• 열역학적 압력 기반 $\langle\mathrm{3D}\rangle$ 평균화($\langle\mathrm{3D}\rangle_m$)가 전체 3D 스펙트럼 선 강도와 가장 유사한 결과를 보이며, 특히 저이 잠재력의 Fe I 선에서 뚜렷하다.
• 광학적 두께 기반 평균화($\langle\mathrm{3D}\rangle_\tau$)는 비선형 투과도 효과와 상층 대기에서의 역전된 그레뉴레이션 강화로 인해 상당히 정확도가 떨어진다.
• $\langle\mathrm{3D}\rangle_\tau$의 성능은 $T_{\mathrm{eff}}$가 증가하고 $[\mathrm{Fe}/\mathrm{H}]$가 감소할수록 악화되며, 특히 금속 빈도가 낮은 모델에 더 심각한 영향을 미친다.
• 기하학적 높이 기반 평균화($\lang\mathrm{3D}\rangle_z$)는 스펙트럼 선 형성에 가장 부적절하지만, 수직 평형을 유지하고 있으며, 별진동학 연구에 유용하다.
• 전체 3D 모델과 $\langle\mathrm{3D}\rangle_\tau$ 모델 간의 차이가 가장 두드러진다. 특히 금속 빈도가 낮은 항성에서 저이 잠재력의 중성 철 선에 대해 그렇다.
• 1D MLT 모델은 태양 금속 빈도에서는 상당히 잘 작동하지만, 금속 빈도가 낮은 항성에서는 체계적인 오류를 유발하므로 3D 기반 보정이 필요하다.