[论文解读] Line formation in convective stellar atmospheres. I. Granulation corrections for solar photospheric abundances

M. Steffen, H. Holweger|ArXiv.org|Mar 8, 2002

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 12被引用 33

一句话总结

本研究利用二维辐射流体动力学模拟，量化了由太阳米粒组织引起的光球温度非均质性对光谱丰度测定的影响。研究推导出单条光谱线的'米粒组织丰度修正值'，表明标准的一维模型大气会高估低激发态中性原子（如Ti i）的丰度，最大误差达−0.3 dex；而激发能接近5 eV的谱线则基本不受这些效应影响。

ABSTRACT

In an effort to estimate the largely unknown effects of photospheric temperature fluctuations on spectroscopic abundance determinations, we have studied the problem of LTE line formation in the inhomogeneous solar photosphere based on detailed 2-dimensional radiation hydrodynamics simulations of the convective surface layers of the Sun. By means of a strictly differential 1D/2D comparison of the emergent equivalent widths, we have derived "granulation abundance corrections" for individual lines, which have to be applied to standard abundance determinations based on homogeneous 1D model atmospheres in order to correct for the influence of the photospheric temperature fluctuations. In general, we find a line strengthening in the presence of temperature inhomogeneities as a consequence of the non-linear temperature dependence of the line opacity. For many lines of practical relevance, the magnitude of the abundance correction may be estimated from interpolation in the tables and graphs provided with this paper. The application of abundance corrections may often be an acceptable alternative to a detailed fitting of individual line profiles based on hydrodynamical simulations. The present study should be helpful in providing upper bounds for possible errors of spectroscopic abundance analyses, and for identifying spectral lines which are least sensitive to the influence of photospheric temperature inhomogeneities.

研究动机与目标

• 量化在用静态的一维模型大气替代动态、非均质的太阳光球时，对光谱丰度测定造成的系统性误差。
• 在不考虑平均温度结构差异的前提下，分离出水平温度涨落对谱线形成的影响。
• 为丰度分析提供实用工具，通过估算天体物理相关的谱线的米粒组织修正值。
• 建立由于未解析的光球非均质性导致的标准丰度分析误差上限。
• 识别对温度涨落最不敏感的谱线，以实现更稳健的丰度测定。

提出的方法

• 利用太阳对流区的二维辐射流体动力学模拟，构建真实的光球温度与速度结构。
• 通过严格差分的一维/二维比较方法，分析出射等效宽度，以隔离温度非均质性对谱线形成的影响。
• 应用'虚构'谱线的概念，系统改变谱线参数（激发能、强度、波长、电离态），同时保持平均结构不变。
• 将'米粒组织丰度修正值'定义为：基于二维非均质模型与一维均质模型所得丰度的差值。
• 通过提供的表格和图表进行插值，估算未显式计算的谱线的修正值。
• 假设处于局部热动平衡（LTE）条件，并通过使用合适的微湍流参数，抑制非热速度场的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 由米粒组织引起的光球温度涨落如何影响谱线的出射等效宽度？
• RQ2 米粒组织修正值的大小及其对谱线激发能、强度、电离态和元素的依赖关系如何？
• RQ3 哪些谱线对太阳光球中温度非均质性最敏感或最不敏感？
• RQ4 从二维模拟中得出的修正值与真实三维模拟及非局部热动平衡（NLTE）条件下的预期效应相比如何？
• RQ5 是否可以无需完整流体动力学建模，可靠地估算实际丰度分析中的米粒组织修正值？

主要发现

• 激发能接近5 eV的谱线，无论元素或电离态如何，对米粒组织效应几乎不敏感，修正值接近零。
• 对于C i、N i、O i、Mg ii和Si ii的弱线、高激发能线（E_i ≥ 10 eV），米粒组织修正值约为−0.1 dex。
• 最大修正值达−0.3 dex，出现在激发能为0 eV的中性原子基态线中，其电离势在6至8 eV之间，如Ti i。
• 对于给定的激发能，较强谱线的米粒组织修正值系统性更偏正（即负值更小）。
• 修正值的波长依赖性因谱线类型而异，'多数'与'少数'元素表现出不同的趋势。
• 所推导的修正值被视为上限，因为三维模拟会降低温度涨落的振幅，而NLTE效应将进一步减小谱线光学厚度的涨落。