[论文解读] Line formation in solar granulation: III. The photospheric Si and meteoritic Fe abundances

M. Asplund|ArXiv.org|May 15, 2000

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 1被引用 26

一句话总结

本研究利用太阳米粒组织的3D流体动力学模拟重新评估了光球硅丰度，得出 log ε(Si) = 7.51 ± 0.04，相较于以往的一维模型结果下调了0.04 dex。这一调整要求陨石丰度也相应下调0.04 dex，从而得出修正后的陨石铁丰度为 log ε(Fe) = 7.46 ± 0.01，与近期基于3D光球测定的铁丰度结果高度一致。

ABSTRACT

Using realistic hydrodynamical simulations of the solar surface convection as 3D, time-dependent, inhomogeneous model atmospheres, the solar photospheric Si abundance has been determined to be log Si = 7.51 +- 0.04. This constitutes a difference of 0.04 dex compared with previous estimates based on the 1D Holweger-Müller (1974) model, of which half is attributable to the adopted model atmosphere and the remaining part to the improved quantum mechanical broadening treatment. As a consequence, all meteoritic abundances should be adjusted downwards by the same amount. In particular the meteoritic Fe abundance will be log Fe = 7.46 +- 0.01, in good agreement with the recently determined photospheric Fe abundance (Asplund et al. 2000b). The existing uncertainties unfortunately prevent an observational confirmation of the postulated effects of elemental migration of metals in the Sun.

研究动机与目标

• 利用最先进的3D流体动力学模型大气代替过时的一维模型，重新确定太阳光球硅丰度。
• 通过基于硅的更精确参考尺度，解决陨石与光球丰度之间的差异。
• 评估改进的模型大气和量子力学线宽展宽对元素丰度测定的影响。
• 评估观测到的丰度差异是否可归因于太阳内部的元素扩散或其他物理过程。

提出的方法

• 采用覆盖50分钟太阳时长的太阳表面对流3D流体动力学模拟作为模型大气。
• 利用19条Si i和2条Si ii谱线的原子数据，进行3D谱线形成计算，包括精确的跃迁概率和基于量子力学处理的碰撞展宽。
• 应用卡方检验拟合观测谱线轮廓并推导丰度，无需引入微湍流或宏湍流参数。
• 以硅丰度为参考，重新校准陨石丰度，特别是铁的丰度。
• 将修正后的陨石铁丰度与近期基于3D光球测定的结果进行比较，以评估一致性。
• 评估非局部热动平衡（NLTE）效应对铁丰度的影响，结论认为在此情境下NLTE效应可能可忽略。

实验结果

研究问题

• RQ1 当使用真实可靠的3D流体动力学模型大气而非一维模型时，太阳光球硅的真实丰度是多少？
• RQ2 与以往的一维估计相比，使用3D模型和改进的量子力学展宽处理如何影响所推导的硅丰度？
• RQ3 当以新测定的硅丰度为参考时，陨石丰度（特别是铁）需要进行怎样的修正？
• RQ4 观测证据能否证实太阳中元素扩散或重力沉降效应的存在？
• RQ5 修正后的陨石铁丰度与3D光球铁丰度的一致性如何？这对非局部热动平衡效应意味着什么？

主要发现

• 太阳光球硅丰度确定为 log ε(Si) = 7.51 ± 0.04，相较于以往一维模型估计值下调0.04 dex。
• 0.04 dex的差异中，一半归因于改进的3D模型大气，另一半归因于更精确的量子力学展宽处理。
• 修正后的陨石铁丰度为 log ε(Fe) = 7.46 ± 0.01，与近期测定的3D光球铁丰度高度一致。
• 修正后的陨石铁丰度与3D光球铁丰度结果的一致性表明，非局部热动平衡（NLTE）效应在此情境下可能可忽略。
• 陨石与光球铁丰度之间仅存在0.02 dex的微小残差差异，小于扩散效应预期的0.04 dex，但当前不确定性尚不足以确证元素迁移的存在。
• 硅丰度随激发能或谱线强度无明显趋势，支持在3D模型中无需引入微湍流的结论，因为动力学运动已自然包含在内。