[论文解读] An in-depth spectroscopic examination of molecular bands from 3D hydrodynamical model atmospheres. II. Carbon-enhanced metal-poor 3D model atmospheres

A. J. Gallagher, E. Caffau+5 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Jan 31, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 18被引用 8

一句话总结

本研究调查了CNO元素丰度，特别是C/O比值，如何影响碳增强金属贫金属（CEMP）星的三维流体动力学模型大气和合成光谱。利用CO 5 BOLD计算的3D模型大气和Linfor3D生成的合成光谱，研究发现C/O比值显著改变了模型结构和谱线形成过程，尤其是G带和CN带；而整体金属丰度的影响则较小。关键贡献在于，当模型与合成中的C/O比值不一致时，3D丰度修正不可靠，因此必须为CEMP星定制3D模型以实现精确光谱分析。

ABSTRACT

Context. Tighter constraints on metal-poor stars we observe are needed to better understand the chemical processes of the early Universe. Computing a stellar spectrum in 3D allows one to model complex stellar behaviours, which cannot be replicated in 1D. Aims. We examine the effect that the intrinsic CNO abundances have on a 3D model structure and the resulting 3D spectrum synthesis. Methods. Model atmospheres were computed in 3D for three distinct CNO chemical compositions using the CO 5 BOLD model atmosphere code, and their internal structures were examined. Synthetic spectra were computed from these models using Linfor3D and they were compared. New 3D abundance corrections for the G-band and a selection of UV OH lines were also computed. Results. The varying CNO abundances change the metal content of the 3D models. This had an effect on the model structure and the resulting synthesis. However, it was found that the C/O ratio had a larger effect than the overall metal content of a model. Conclusions. Our results suggest that varying the C/O ratio has a substantial impact on the internal structure of the 3D model, even in the hot turn-off star models explored here. This suggests that bespoke 3D models, for specific CNO abundances should be sought. Such effects are not seen in 1D at these temperature regimes.

研究动机与目标

• 理解内在CNO丰度如何影响金属贫金属星的3D流体动力学模型大气及其产生的合成光谱。
• 评估当模型与合成中的C/O比值不一致时，3D丰度修正的可靠性，特别是针对G带和紫外OH线。
• 识别标准3D模型因谱线形成超出计算域而变得不准确的条件。
• 证明3D效应——尤其是CN等分子带中的效应——无法在1D模型中体现，且必须在模型和合成中保持一致的CNO丰度。

提出的方法

• 在固定有效温度T_eff = 6250 K、表面重力log g = 4.0和[Fe/H] = -3.0的条件下，使用CO 5 BOLD代码计算了三种不同CNO组成下的3D模型大气。
• 利用Linfor3D代码从这些模型生成合成光谱，通过在模型和合成中保持一致或不一致的CNO丰度进行对比。
• 光谱合成在局部热动平衡（LTE）假设下进行，通过贡献函数分析谱线形成深度依赖性。
• 通过比较3D合成轮廓与1D拟合结果，计算G带和紫外OH线的3D修正，识别出C/O比值不一致时的不一致性。
• 对比不同模型之间的模型结构和 granulation（颗粒化）模式，以检测因CNO丰度变化引起的流体动力学差异。
• 分析C/O > 1.0对CN带形成的影响，特别是谱线形成超出3D模型计算区域的风险。

实验结果

研究问题

• RQ1 C/O比值在多大程度上影响金属贫金属星3D流体动力学模型的热结构和大气动力学？
• RQ2 与总金属丰度变化相比，CNO丰度变化（尤其是C/O）在多大程度上改变合成光谱？
• RQ3 当模型与合成中的C/O比值不一致时，为何G带和紫外OH线的3D丰度修正变得不一致？
• RQ4 当C/O > 1.0时，标准3D模型为何无法准确再现CN带轮廓？
• RQ5 当3D模型显示对C/O比值强烈依赖时，1D模型能否可靠模拟CEMP星的光谱特征？

主要发现

• 即使在典型主序星的高温下，C/O比值对3D模型结构和合成光谱的影响也大于整体金属丰度的影响。
• 当C/O > 1.0时，大量CN带形成发生在3D模型计算域之外，导致合成光谱和丰度修正不可靠。
• 当C/O比值不一致时（如SAB使用模型A），由于温度和形成深度不匹配，3D修正被高估，尤其在G带中更为明显。
• 当模型与合成中C/O比值一致时（如SB和SC），可获得可靠的3D修正，证实模型与合成的一致性对准确丰度测定至关重要。
• 3D效应在1D模型中无法体现，因为1D光谱对化学成分不一致不敏感，而3D光谱则敏感。
• 对于C/O > 1.0的CEMP星，必须使用匹配CNO丰度的定制3D模型，因为标准模型无法准确再现光谱特征。