[论文解读] Line formation in solar granulation: II. The photospheric Fe abundance

M. Asplund, Aa. Nordlund+2 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2000

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 3被引用 7

一句话总结

本研究利用从头算的3D流体动力学模型大气，测定太阳光球铁丰度，避免了传统方法中对微湍流和等效宽度拟合的假设。结果表明，基于Fe i谱线得到的log ε_Fe = 7.44 ± 0.05，基于Fe ii谱线得到的log ε_Fe = 7.45 ± 0.10，与陨石值7.46 ± 0.01高度一致，解决了长期以来太阳丰度测定中的争议。

ABSTRACT

The solar photospheric Fe abundance has been determined using realistic ab initio 3D, time-dependent, hydrodynamical model atmospheres. The study is based on the excellent agreement between the predicted and observed line profiles directly rather than equivalent width, since the intrinsic Doppler broadening from the convective motions and oscillations provide the necessary non-thermal broadening. Thus, three of the four hotly debated parameters (equivalent widths, microturbulence and damping enhancement factors) in the center of the recent solar Fe abundance dispute regarding FeI lines no longer enter the analysis, leaving the transition probabilities as the main uncertainty. Both FeI (using the samples of lines of both the Oxford and Kiel studies) and FeII lines have been investigated, which give consistent results: log FeI = 7.44 +- 0.05 and log FeII = 7.45 +- 0.10. Also the wings of strong FeI lines return consistent abundances, log FeII = 7.42 +- 0.03, but due to the uncertainties inherent in analyses of strong lines we give this determination lower weight than the results from weak and intermediate strong lines. In view of the recent slight downward revision of the meteoritic Fe abundance log Fe = 7.46 +- 0.01, the agreement between the meteoritic and photospheric values is very good, thus appearingly settling the debate over the photospheric Fe abundance from FeI lines.

研究动机与目标

• 为解决长期以来太阳光球铁丰度测定中存在高达0.2 dex的差异问题。
• 消除丰度分析中对微湍流、等效宽度和碰撞加宽增强因子等不确定参数的依赖。
• 应用真实的3D流体动力学模型大气，准确模拟太阳光球层中的谱线形成过程。
• 检验Fe i与Fe ii谱线的一致性，并评估强线翼部及潜在非局部热动平衡（non-LTE）效应的影响。
• 将光球铁丰度与陨石值统一，从而解决关于太阳铁含量的长期争议。

提出的方法

• 采用从头算的、时间依赖的3D流体动力学模型大气，自洽地模拟太阳米粒组织与对流。
• 利用这些3D模型进行完整的光谱合成，预测Fe i与Fe ii谱线的合成轮廓。
• 将合成轮廓与实测轮廓直接比较，绕过等效宽度测量及其相关不确定性。
• 采用现代量子力学计算方法处理Fe i谱线的碰撞展宽，无需依赖经验的加宽增强因子。
• 对弱线与强线Fe i谱线均应用相同的3D模型，包括其线翼部分，以检验不同线强范围的一致性。
• 考虑强线中可能存在的非局部热动平衡效应，特别是对Fe i谱线的影响，并评估其对丰度测定的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 3D流体动力学模型大气是否能消除太阳丰度分析中对微湍流和加宽增强因子等人为参数的依赖？
• RQ2 当使用真实的3D模型直接拟合谱线轮廓而非等效宽度时，太阳光球铁丰度是多少？
• RQ3 在3D建模框架下，Fe i与Fe ii谱线是否给出一致的铁丰度结果？其与陨石值的对比如何？
• RQ4 难以准确建模的强Fe i谱线的线翼部分，对最终丰度测定的影响有多大？
• RQ5 在强Fe i谱线中，非局部热动平衡的偏离是否显著？它们是否在3D框架下对丰度结果造成系统性偏差？

主要发现

• 基于3D模型大气和直接轮廓拟合，从Fe i谱线得出的太阳光球铁丰度为log ε_Fe = 7.44 ± 0.05。
• Fe ii丰度测定结果为log ε_Fe = 7.45 ± 0.10，与Fe i结果及陨石值高度一致。
• 强Fe i谱线给出的丰度为log ε_Fe = 7.42 ± 0.03，尽管该结果因线翼建模困难而权重较低。
• 光球丰度与陨石丰度（7.46 ± 0.01）之间的一致性极佳，表明长期存在的丰度争议已得到解决。
• 本研究证明，3D模型可消除对微湍流和加宽增强因子等自由参数的依赖，从而实现更稳健的丰度测定。
• 结果表明，以往的差异源于使用1D模型和近似处理，而3D流体动力学能更准确地描述太阳谱线的形成过程。