[論文レビュー] Three-dimensional hydrodynamical CO5BOLD model atmospheres of red giant stars. III. Line formation in the atmospheres of giants located close to the base of RGB

V. Dobrovolskas, Kučinskas, A.+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2013

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 22被引用数 26

ひとこと要約

本研究では、赤巨星における対流がスペクトル線形成に与える影響を、3次元流体ダイナミクス的CO5BOLDと1次元LHDモデル大気を用いて、赤巨星における基部近辺の4つの赤巨星（Teff ≈ 5000 K、log g = 2.5、[M/H] = 0.0、-1.0、-2.0、-3.0）で調査した。水平温度揺動の影響により、[M/H] = -3.0で、低イオン化ポテンシャルおよび低〜中程度の励起ポテンシャルを持つ中性原子の元素番数補正は-0.8 dexに達する一方、分子線（例：CO）では最大-1.5 dexの補正を示し、金属不足星の元素番数研究において3次元モデルの重要性が浮き彫りになった。

ABSTRACT

We utilize state-of-the-art 3D hydrodynamical and classical 1D stellar model atmospheres to study the influence of convection on the formation properties of various atomic and molecular spectral lines in the atmospheres of four red giant stars, located close to the base of the red giant branch, RGB ($T_{\mathrm eff}\approx5000$ K, $\log g=2.5$), and characterized by four different metallicities, [M/H] = 0.0, -1.0, -2.0, -3.0. The role of convection in the spectral line formation is assessed with the aid of abundance corrections, i.e., the differences in abundances predicted for a given equivalent width of a particular spectral line with the 3D and 1D model atmospheres. We find that for lines of certain neutral atoms the abundance corrections strongly depend both on metallicity of a given model atmosphere and the line excitation potential. While abundance corrections for all lines of both neutral and ionized elements tend to be small at solar metallicity, for lines of neutral elements with low ionization potential and low-to-intermediate $χ$ they quickly increase with decreasing metallicity, reaching in their extremes to -0.6...-0.8 dex. In all such cases the large abundance corrections are due to horizontal temperature fluctuations in the 3D hydrodynamical models. Abundance corrections of molecular lines are very sensitive to metallicity of the underlying model atmosphere and may be larger (in absolute value) than -0.5 dex at [M/H] = -3.0 (-1.5 dex in the case of CO). We also find that an approximate treatment of scattering in the 3D model calculations leads to the abundance corrections that are altered by less than ~0.1 dex, both for atomic and molecular (CO) lines, with respect to the model where scattering is treated as true absorption throughout the entire atmosphere, with the largest differences for the resonance and low-excitation lines.

研究の動機と目的

• 赤巨星の基部近辺における3次元流体ダイナミクスのスペクトル線形成への影響を評価すること。
• 3次元と1次元モデル間の対流に起因する温度揺動および大気構造の差が、原子線および分子線形成に与える影響を定量化すること。
• 金属量、励起ポテンシャル、イオン化ポテンシャルの変動に伴う元素番数補正の感度を、さまざまな星のパラメータ範囲で評価すること。
• 3次元モデルにおける散乱処理および混合長パラメータ（αMLT）が元素番数補正に与える影響を検討すること。
• 400–1600 nmの波長範囲において、元素番数補正が波長依存性を示すかどうかを特定すること。

提案手法

• 3次元流体ダイナミクス的モデル大気は、CO5BOLDコードを用いて、星の大気における時間に依存する対流をシミュレートすることで計算された。
• 1次元モデル大気は、同一の入力パラメータ（Teff、log g、[M/H]、組成、状態方程式、光学厚さ）を用いてLHDコードで生成され、直接比較が可能となった。
• 元素番数補正は、同一のスペクトル線の等価幅に対して3次元モデルと1次元モデルで導かれた元素番数の差として計算された。
• 放射線輸送は、同一のラインリストおよび吸収率処理を用いて両モデルで解かれた。特に、光学的に薄い領域における散乱を真の吸収として扱うか無視するかの比較も行った。
• 1次元モデルにおける混合長パラメータ（αMLT）を変化させ、その影響が元素番数補正に与える影響を評価した。
• 線形成は400–1600 nmの波長範囲にわたり解析され、補正の波長依存性の評価が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元流体ダイナミクス的効果、特に水平温度揺動が、赤巨星の基部近辺におけるスペクトル線形成にどのように影響を与えるか？
• RQ2 3次元モデルと1次元モデルの比較において、原子線および分子線の元素番数補正が金属量および励起ポテンシャルにどの程度依存するか？
• RQ3 外層大気における散乱処理の影響が、3次元モデル大気における元素番数補正に及ぼす影響はどの程度顕著か？
• RQ4 特に高励起線に対して、1次元モデルにおける混合長パラメータ（αMLT）の選択が元素番数補正に与える感度はどの程度か？
• RQ5 これらのモデル大気において、400–1600 nmの波長範囲にわたり、元素番数補正が顕著な波長依存性を示すか？

主な発見

• 低イオン化ポテンシャル（例：Mg i、Ti i、Fe i、Ni i）を有する中性原子の元素番数補正は、[M/H] = -3.0および低〜中程度の励起ポテンシャル（χ）で-0.8 dexに達する。これは主に3次元モデルにおける水平温度揺動に起因する。
• イオン化元素および高イオン化ポテンシャル（Eion ≥ 10 eV）を有する中性原子では、すべての金属量および励起ポテンシャルにおいて、元素番数補正は小さく（≤ ±0.1 dex）保たれる。
• 分子線、特にCOは、[M/H] = -3.0で最大-1.5 dexの大きな元素番数補正を示し、3次元モデルにおいて金属量に強く依存することが判明した。
• 元素番数補正は400–1600 nmの波長範囲にわたり最小限の変動を示し、対流効果が広いスペクトル窓において一貫して重要であることを示している。
• 外層大気における散乱を無視すると、元素番数補正は0.1 dex未満の変化にとどまり、特に共鳴線および低励起線の中性原子およびCOに最大の影響を及ぼす。
• 弱い低励起線（χ < 6 eV）では混合長パラメータ（αMLT）への感度は最小限であるが、高励起線（例：Fe ii で χ = 10 eV）では、特に低金属量条件下で最大0.1 dexの影響を示す。