[论文解读] Galactic Evolution of Oxygen: OH lines in 3D hydrodynamical model atmospheres

J. I. Gónzalez Hernández, P. Bonifacio+4 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 24被引用 22

一句话总结

本文提出了一组52个3D流体动力学模型大气，用于计算金属贫金属矮星中近紫外OH和Fe i谱线的3D-LTE丰度修正。研究发现，3D修正通常为负且显著——最高可达-1 dex——尤其在高温、高表面重力和低金属度恒星中，导致[O/Fe]趋势的重新评估：尽管仍随金属度降低而上升，但斜率相比1D-LTE结果有所减小。

ABSTRACT

The measurement of oxygen lines in metal-poor unevolved stars, in particular near-UV OH lines, can provide invaluable information on the properties of the Early Galaxy. Near-UV OH lines constitute an important tool to derive oxygen abundances in metal-poor dwarf stars. Therefore, it is important to correctly model the line formation of OH lines, especially in metal-poor stars, where 3D hydrodynamical models commonly predict cooler temperatures than plane-parallel hydrostatic models in the upper photosphere. We have made use of a grid of 52 3D hydrodynamical model atmospheres for dwarf stars computed using the code CO5BOLD, extracted from the more extended CIFIST grid. The 52 models cover the effective temperature range 5000-6500K, the surface gravity range 3.5-4.5 and the metallicity range -3

研究动机与目标

• 通过在谱线形成过程中考虑3D大气效应，改进贫金属晕矮星中氧丰度的测定。
• 解决由不同氧示踪指标（特别是近紫外OH谱线与禁线O i谱线）导出的[O/Fe]趋势之间的差异。
• 量化在金属贫金属恒星中，OH和Fe i谱线的3D-LTE丰度修正，其中3D模型预测的上层光球温度比1D模型更低。
• 评估3D修正对银河系[O/Fe]演化趋势的影响，特别是在第二星族恒星的背景下。
• 通过提供覆盖广泛恒星参数的OH和Fe i谱线的3D-LTE修正网格，为未来3D-NLTE研究奠定基础。

提出的方法

• 使用CO5BOLD代码计算的52个3D流体动力学模型大气网格，覆盖T_eff为5000–6500 K，log g为3.5–4.5，[Fe/H]为-3至0。
• 利用3D模型大气计算了多个OH谱线和具有不同电离势的Fe i谱线的3D-LTE丰度修正。
• 将3D-LTE修正插值至Israelian等（1998, 2001）、Boesgaard等（1999）以及González Hernández等（2008）观测的贫金属矮星的恒星参数（T_eff, log g, [Fe/H]）以匹配实际观测。
• 对3D Fe i丰度应用1D-NLTE修正，以评估3D与NLTE效应共同作用对[O/Fe]比值的影响。
• 使用插值得到的修正结果推导出修正后的3D-NLTE [O/Fe]比值，并与1D-LTE趋势进行比较。
• 评估修正对恒星参数（包括有效温度、表面重力和金属度）的敏感性，并通过标准差的平方和开方方式综合考虑不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 3D流体动力学模型大气如何影响贫金属矮星中近紫外OH和Fe i谱线的3D-LTE丰度修正？
• RQ2 在不同恒星参数（T_eff, log g, [Fe/H]）下，OH谱线的3D-LTE修正的大小和趋势如何？
• RQ3 与1D-LTE情况相比，3D修正如何改变贫金属晕星中推导出的[O/Fe]比值趋势？
• RQ4 3D效应在多大程度上影响了从OH谱线与禁线O i谱线推导出的[O/Fe]比值之间的一致性，特别是在巨星中？
• RQ5 3D-LTE修正对氧的银河系化学演化有何影响，特别是在第二星族恒星的背景下？

主要发现

• OH谱线的3D-LTE丰度修正通常为负，且可高达-1 dex，尤其在电离势较低的谱线以及有效温度和表面重力较高的模型中。
• 最大的3D-LTE修正出现在金属贫金属恒星（[Fe/H] ≤ -2）中，此时3D模型预测的上层光球温度显著低于1D模型。
• 修正后的3D-NLTE [O/Fe]比值仍随金属度降低而上升，但其绝对斜率相比1D-LTE结果更小。
• 由于修正依赖于除金属度外的个体恒星参数，3D-NLTE [O/Fe]与[Fe/H]关系的离散度大于1D-LTE。
• 从近紫外OH谱线导出的[O/Fe]趋势与从禁线O i谱线导出的趋势在贫金属巨星中保持一致，此时3D效应预计可忽略。
• 本研究强调了未来对OH和Fe i谱线进行完整3D-NLTE计算的必要性，以验证当前[O/Fe]趋势的稳健性，因为当前修正假设Fe i谱线为1D-NLTE，而OH谱线为3D-LTE。