[论文解读] Kinetic equilibrium of iron in the atmospheres of cool stars III. The ionization equilibrium of selected reference stars

A. J. Korn, Jianrong Shi+1 more|ArXiv.org|Jun 17, 2003

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 32被引用 76

一句话总结

本研究通过非局部热动平衡（non-LTE）线形成计算和依巴谷（Hipparcos）视差，确定了在低温恒星中铁的氢碰撞系数缩放因子（S_H），以实现Fe I与Fe II之间的电离平衡。最优的S_H = 3可最小化光谱与天体测量表面重力之间的差异，显著改善贫金属星的元素丰度分析，并减少恒星参数确定中的系统性偏差。

ABSTRACT

Non-LTE line formation calculations of Fe I are performed for a small number of reference stars to investigate and quantify the efficiency of neutral hydrogen collisions. Using the atomic model that was described in previous publications, the final discrimination with respect to hydrogen collisions is based on the condition that the surface gravities as determined by the Fe I/Fe II ionization equilibria are in agreement with their astrometric counterparts obtained from HIPPARCOS parallaxes. Depending on the choice of the hydrogen collision scaling factor S_H, we find deviations from LTE in Fe I ranging from 0.00 (S_H = infinity) to 0.46 dex (S_H = 0 for HD140283) in the logarithmic abundances while Fe II follows LTE. With the exception of Procyon, for which a mild temperature correction is needed to fulfil the ionization balance, excellent consistency is obtained for the metal-poor reference stars if Balmer profile temperatures are combined with S_H = 3. The correct choice of collisional damping parameters ("van-der-Waals" constants) is found to be generally more important for these little evolved metal-poor stars than considering departures from LTE. For the Sun the calibrated value for S_H leads to average Fe I non-LTE corrections of 0.02 dex and a mean abundance from Fe I lines of log epsilon(Fe) = 7.49 \pm 0.08. We confront the deduced stellar parameters with comparable spectroscopic analyses by other authors which also rely on the iron ionization equilibrium as a gravity indicator. On the basis of the HIPPARCOS astrometry our results are shown to be an order of magnitude more precise than published data sets, both in terms of offset and star-to-star scatter.

研究动机与目标

• 为解决低温恒星大气中铁的氢碰撞效率不确定性，特别是光谱中光致电离占主导的贫金属星。
• 通过最小化假设局部热动平衡（LTE）下铁电离平衡带来的偏差，提高光谱恒星参数的准确性。
• 利用依巴谷视差的天体测量约束校准氢碰撞系数缩放因子S_H。
• 评估非局部热动平衡效应与原子振子参数（范德瓦尔斯常数）在确定贫金属星铁丰度中的相对重要性。
• 在一系列参考恒星（包括太阳和极端晕星如HE 0107–5240）上验证该方法的适用性。

提出的方法

• 使用包含与中性氢碰撞速率的原子模型，对Fe I进行非局部热动平衡线形成计算。
• 采用信噪比高、分辨率高的阶梯光栅光谱，推导单条谱线轮廓拟合与相对铁丰度。
• 利用依巴谷视差确定天体测量表面重力，并与基于Fe I/Fe II电离平衡推导的重力进行比较。
• 通过调节氢碰撞系数缩放因子S_H，寻找使光谱与天体测量log g值之间偏差最小的S_H值。
• 将巴尔末轮廓温度作为温度指标，结合非局部热动平衡铁电离平衡，推导一致的恒星参数。
• 与已发表的光谱分析结果进行对比，并利用极端晕星（如HE 0107–5240）测试S_H = 3校准的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在贫金属星中，实现Fe I与Fe II电离平衡的最优氢碰撞系数缩放因子S_H值是多少？
• RQ2 与LTE假设相比，非局部热动平衡对推导表面重力和铁丰度有何影响？
• RQ3 与非局部热动平衡效应相比，原子振子参数（范德瓦尔斯常数）在贫金属星铁丰度测定中的影响程度如何？
• RQ4 结合巴尔末轮廓温度与非局部热动平衡铁电离平衡，能否得到与依巴谷视差一致的表面重力？
• RQ5 S_H校准在不同金属丰度区间（包括最贫金属星）的表现如何？

主要发现

• 氢碰撞系数缩放因子S_H被校准为3，该值在所有参考恒星中均最小化了光谱与天体测量表面重力之间的差异。
• 对于HD 140283，当S_H = ∞时，Fe I丰度的非局部热动平衡修正为0.00 dex，而当S_H = 0时，修正达0.46 dex，表明若忽略氢碰撞，非局部热动平衡效应极为显著。
• 当S_H = 3时，除天狼星（Procyon）外，所有贫金属星均实现了极佳的电离平衡；天狼星需额外施加90 K的温度修正（调整至6600 K）以协调光谱与天体测量约束。
• 校准后的S_H = 3使太阳的平均非局部热动平衡修正为0.02 dex，得到log ε(Fe) = 7.49 ± 0.08。
• 与以往基于LTE的分析相比，该方法将表面重力与金属丰度的不确定性降低了一个数量级，散点更小、偏差更小。
• Fe I的非局部热动平衡效应在典型球状星团巨星金属丰度以下趋于饱和，表明S_H = 3的校准在银河系大部分金属丰度范围内均具鲁棒性。