[论文解读] Fourier analysis of Fe I lines in the spectra of the Sun, {\alpha} Centauri A, Procyon, Arcturus, and Canopus

V. A. Sheminova, A. S. Gadun|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 1998

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 25被引用 5

一句话总结

本研究对类太阳星和演化星中的Fe I谱线应用了高分辨率傅里叶分析（200,000分辨率），以分离微观湍流与宏观湍流速度场。研究发现，太阳、α Cen A、Procyon和Arcturus中呈现各向同性的微观湍流和径向-切向宏观湍流，但在Canopus中揭示了各向异性的湍流，其径向宏观湍流速度较强（17 km/s），切向分量较弱（1.3 km/s），同时旋转速度较低（3.5 km/s）。

ABSTRACT

We used spectral observations of Fe I line profiles with a 200 000 resolution to determine micro and macroturbulent velocities in the atmospheres of the Sun as a star, {\alpha} Cen A, Procyon ({\alpha} CMi), Arcturus ({\alpha} Boo), and Canopus ({\alpha} Car). Isotropic microturturbulent velocities (V_mi) and radial-tangential macroturbulent velocities (V_ma,RT) were found to be a quite suitable approximation to the velocity field in the atmospheres of all stars studied except Canopus. The average velocities V_mi and V_ma,RT are 0.8 +/- 0.1 and 2.6 +/- 0.3 km/s for the Sun as a star, 0.8 +/- 0.2 and 2.9 +/- 0.4 km/s for {\alpha} Cen A, 0.8 +/- 0.3 and 5.9 +/- 0.2 km/s for Procyon, 1.0 +/- 0.2 and 4.6 +/- 0.3 km/s for Arcturus. The velocity field in the atmosphere of Canopus can be described by an anisotropic radial-tangential distribution of microturbulence with V_mi,RT = 2.1 km/s and anisotropic distribution of macroturbulence with V_ma,rad = 17 +/- 2 km/s and V_ma,tan = 1.3 +/- 1.0 km/s. From Fourier analysis of broadening and shapes of three spectral lines of Fe I, we have derived the rotation velocity V_e sini = 3.5 +/- 0.2 km/s for Canopus.

研究动机与目标

• 利用高分辨率光谱学测定太阳、α Cen A、Procyon、Arcturus和Canopus大气中微观与宏观湍流速度场。
• 评估速度场结构如何随赫罗图演化，特别是在 granulation 边界附近的变化。
• 通过分析其傅里叶变换，探究光谱线不对称性的本质——特别是像Canopus这样的超巨星中所见的蓝端倒置现象。
• 检验各向同性或各向异性模型在描述无对流包层恒星中湍流速度场时的适用性。
• 通过Fe I谱线轮廓的傅里叶分析，推导Canopus的旋转速度。

提出的方法

• 利用ESO的Dravins（1982–1984）所获的高分辨率（200,000）Fe I谱线光谱图，信噪比S/N > 300，仪器FWHM ≈ 2.3 km/s。
• 应用傅里叶变换技术，分离线轮廓中由微观湍流、宏观湍流和旋转引起的贡献。
• 通过校正微小重叠线后，对左右轮廓进行平均以实现对称化，同时将线轮廓核心中心作为10%核心区域的质心。
• 采用波长插值步骤（0.001–0.005 nm），以保持一致的光谱采样，防止傅里叶变换中出现伪影。
• 将各向同性微观湍流和径向-切向宏观湍流模型拟合至傅里叶功率谱，以推导速度振幅。
• 通过仪器轮廓傅里叶变换的第一个零点及线轮廓展宽，提取旋转速度（Ve sin i）。

实验结果

研究问题

• RQ1 从太阳到像Canopus这样的演化星，微观与宏观湍流速度场在赫罗图上如何变化？
• RQ2 为何像Canopus这样的超巨星的光谱线表现出蓝端倒置不对称性，而类太阳星则呈现红C形不对称性？
• RQ3 各向同性或各向异性微观与宏观湍流模型在描述有或无对流包层恒星的观测轮廓时，其准确性如何？
• RQ4 Canopus的真实旋转速度是多少？与其他样本中的恒星相比有何差异？
• RQ5 三维流体动力学模型与半经验模型在预测像Arcturus和Procyon这样的恒星中湍流速度振幅时，表现如何比较？

主要发现

• 太阳呈现各向同性的微观湍流速度为0.8 ± 0.1 km/s，以及径向-切向宏观湍流速度为2.6 ± 0.3 km/s。
• α Cen A表现出相似的各向同性微观湍流（0.8 ± 0.2 km/s），以及略高的宏观湍流速度（2.9 ± 0.4 km/s）。
• Procyon表现出更高的宏观湍流速度（5.9 ± 0.2 km/s）和微观湍流速度（0.8 ± 0.3 km/s），与较低的重力和较高的温度一致。
• Arcturus的微观湍流速度为1.0 ± 0.2 km/s，宏观湍流速度为4.6 ± 0.3 km/s，表明其低密度、金属贫乏的大气中对流运动增强。
• Canopus表现出强烈的各向异性：径向宏观湍流速度为17 ± 2 km/s，而切向分量仅为1.3 ± 1.0 km/s，且微观湍流速度为2.1 km/s，呈现径向-切向各向异性。
• Canopus的旋转速度测定为3.5 ± 0.2 km/s，表明尽管其为超巨星，但旋转速度仍较慢。