[论文解读] 6Li detection in metal-poor stars: can 3D model atmospheres solve the second lithium problem?

M. Steffen, R. Cayrel+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用 7

一句话总结

本研究调查了3D流体动力学模型大气是否通过表明1D模型中的对流线型不对称性会模仿6Li信号，从而导致6Li/7Li比值被高估，进而解决第二个锂问题。当使用3D非局部热动平衡（non-LTE）模型进行校正后，仅有一颗恒星（HD 84937）仍为显著的2σ检测，表明6Li平台很可能是1D分析的产物，而非宇宙学异常。

ABSTRACT

The presence of 6Li in the atmospheres of metal-poor halo stars is usually inferred from the detection of a subtle extra depression in the red wing of the 7Li doublet line at 670.8 nm. However, the intrinsic line asymmetry caused by convective flows in the photospheres of cool stars is almost indistinguishable from the asymmetry produced by a weak 6Li blend on a (presumed) symmetric 7Li profile. Previous determinations of the 6Li/ 7Li isotopic ratio based on 1D model atmospheres, ignoring the convection-induced line asymmetry, must therefore be considered as upper limits. By comparing synthetic 1D LTE and 3D non-LTE line profiles of the Li 670.8 nm feature, we quantify the differential effect of the convective line asymmetry on the derived 6Li abundance as a function of effective temperature, gravity, and metallicity. As expected, we find that the asymmetry effect systematically reduces the resulting 6Li/7Li ratios. Depending on the stellar parameters, the 3D-1D offset in 6Li/7Li ranges between -0.005 and -0.020. When this purely theoretical correction is taken into account for the Asplund 2006 sample of stars, the number of significant 6Li detections decreases from 9 to 5 (2 sigma criterion), or from 5 to 2 (3 sigma criterion). We also present preliminary results of a re-analysis of high-resolution, high S/N spectra of individual metal-poor turn-off stars, to see whether the "second Lithium problem" actually disappears when accounting properly for convection and non-LTE line formation in 3D stellar atmospheres. Out of 8 stars, HD84937 seems to be the only significant (2 sigma) detection of 6Li. In view of our results, the existence of a 6Li plateau appears questionable.

研究动机与目标

• 评估在金属贫金属星中，1D模型大气中的对流线型不对称性是否人为地提高了6Li/7Li丰度估计值。
• 量化忽略1D LTE分析中3D对流动力学所引入的6Li/7Li比值系统性误差。
• 检验在金属贫金属晕星中报告的6Li平台是否为过时1D建模的产物，而非真实的天体物理现象。
• 评估用于残余线型展宽校准的“校准线”之可靠性，其可能对6Li丰度测定造成偏差。
• 使用3D非LTE模型重新分析八颗金属贫金属主序星的高分辨率、高信噪比光谱，以重新评估6Li检测结果。

提出的方法

• 使用CO 5 BOLD流体动力学模拟及相应的1D混合长度模型，计算了合成的1D LTE与3D非LTE线型轮廓。
• 3D模型大气由时间依赖的可压缩流体动力学和非局部辐射传热在恒星表面层的笛卡尔盒子中获得。
• 使用相同的原子数据和线型展宽参数合成光谱，并通过最小化观测值与合成光谱之间的χ²进行拟合。
• 量化了3D与1D之间推导出的6Li/7Li比值差异，作为有效温度、重力加速度和金属丰度的函数。
• 使用选定谱线对残余线型展宽进行校准，并评估线与线之间差异对6Li丰度的影响。
• 使用1D LTE和3D非LTE模型重新分析了八颗金属贫金属主序星的高分辨率、高信噪比UVES和HARPS光谱，以比较6Li检测结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 由恒星光球层中3D对流引起的本征线型不对称性是否会在670.8 nm Li I双线中模仿6Li的光谱特征？
• RQ2 由于未考虑对流不对称性，1D LTE模型大气在多大程度上高估了6Li/7Li同位素比值？
• RQ3 当使用3D非LTE模型大气而非1D LTE模型进行校正时，6Li检测的显著性如何？
• RQ4 使用“校准线”来修正残余线型展宽是否可能在6Li丰度测定中引入系统性偏差？
• RQ5 当使用最先进的3D非LTE模型分析时，金属贫金属星中报告的6Li平台是否依然存在？

主要发现

• 3D与1D之间6Li/7Li比值的差异范围为-0.005至-0.020，表明1D分析系统性地高估了6Li丰度。
• 当使用3D非LTE模型进行校正后，Asplund et al. (2006)样本中显著的6Li检测数量从9个降至5个（2σ），或从5个降至2个（3σ）。
• 在对八颗单独金属贫金属主序星进行3D非LTE重新分析后，仅有一颗恒星HD 84937仍为正式的2σ检测。
• 使用“校准线”对残余展宽进行校准会引入额外不确定性，即使选择得当，也可能对6Li丰度估计造成偏差。
• 在log n(6Li)/n(H)+12 ≈ 0.85处的6Li平台很可能是1D建模的产物，因为3D非LTE校正显著减少了检测数量。
• 本研究与L12 (2012)在HD 84937的6Li丰度上仍存在差异，表明数据或分析方法可能存在潜在问题。