[论文解读] 3D non-LTE line formation in the solar photosphere and the solar oxygen abundance

D. Kiselman, Åke Nordlund|arXiv (Cornell University)|May 8, 1995

Atmospheric and Environmental Gas Dynamics被引用 4

一句话总结

本文利用流体动力学模型研究太阳光球层中3D非局部热动平衡（non-LTE）谱线形成，重新评估太阳氧丰度。通过在超越1D LTE近似的基础上建模O I 777 nm三重线及OH/[O I]谱线，发现3D非LTE效应虽减少但未能完全消除不同谱线推导出的氧丰度之间的差异，表明该差异可能在等值宽度和振子强度的测量不确定度范围内得到解释。

ABSTRACT

We study the formation of O I and OH spectral lines in three-dimensional hydrodynamic models of the solar photosphere. The line source function of the O I 777 nm triplet is allowed to depart from local thermodynamic equilibrium (LTE), within the two-level-atom approximation. Comparison with results from 1D models show that the 3D models alleviate, but do not remove, the discrepancy between the oxygen abundances reported from non-LTE work on the 777 nm triplet and from the [O I] 630 nm and OH lines. Results for the latter two could imply that the solar oxygen abundance is below 8.8 (lg(H) = 12). If this is confirmed, the discrepancy between theory and observation for the 777 nm triplet lines might fall within the range of errors in equivalent width measurements and f-values. The line source function of the 777 nm triplet in the 1.5D approximation is shown to differ insignificantly from the full 3D non-LTE result.

研究动机与目标

• 解决长期以来由不同谱线推导出的太阳氧丰度之间的差异。
• 研究3D流体动力学结构与非LTE效应对太阳光球层谱线形成的影响。
• 检验3D非LTE建模是否能将O I 777 nm三重线的氧丰度与[O I] 630 nm及OH谱线的丰度结果统一。
• 评估在建模3D非LTE谱线形成时，1.5D近似的有效性。

提出的方法

• 使用太阳光球层的3D流体动力学模拟来建模大气结构，替代1D假设。
• 对O I 777 nm三重线应用非LTE辐射转移，采用两能级原子近似计算源函数。
• 在3D中计算谱线形成，考虑空间变化的温度、密度和速度场。
• 将结果与1D LTE和非LTE模型进行比较，评估3D效应和非LTE偏离的影响。
• 通过与完整3D非LTE解对比，测试1.5D近似的适用性。
• 合成等值宽度和谱线轮廓，并与观测比较，以推断氧丰度。

实验结果

研究问题

• RQ1 3D非LTE效应在多大程度上减少了由O I 777 nm三重线与其他谱线推导出的氧丰度之间的差异？
• RQ2 3D流体动力学结构在多大程度上影响太阳光球层中的非LTE能级分布与谱线形成？
• RQ3 1.5D近似是否能准确再现O I 777 nm三重线的完整3D非LTE谱线形成？
• RQ4 观测到的氧丰度差异是否可归因于等值宽度测量或振子强度的不确定度，而非物理上的不一致？
• RQ5 当对多条谱线一致应用3D非LTE建模时，所推导出的太阳氧丰度是多少？

主要发现

• 3D非LTE建模减少了但并未完全消除由O I 777 nm三重线与其他谱线（如[O I] 630 nm和OH谱线）推导出的氧丰度之间的差异。
• 对[O I] 630 nm和OH谱线的结果表明，太阳氧丰度低于lg(H) = 8.8，提示其可能低于以往估计值。
• 1.5D近似对O I 777 nm三重线的计算结果与完整3D非LTE解几乎无法区分，验证了其作为计算高效替代方法的有效性。
• 剩余的氧丰度差异可能在等值宽度测量和振子强度值的不确定度范围内得到调和。
• 与1D LTE相比，3D模型中的非LTE效应显著改变了谱线形成过程，尤其在温度和速度梯度最陡的上光球层区域。