[论文解读] Line formation in solar granulation: IV. [O I], OI and OH lines and the photospheric O abundance

M. Asplund, N. Grevesse+3 more|ArXiv.org|Dec 11, 2003

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 63被引用 513

一句话总结

本研究利用三维时间依赖的太阳大气流体动力学模型和非局部热动平衡（non-LTE）辐射转移方法，测定太阳光球层氧的丰度。结果得到 log ε(O) = 8.66 ± 0.05，解决了不同氧指示剂之间长期存在的差异，并支持较低的太阳金属丰度（Z = 0.0126），尽管这与声速分布的太阳内部模型存在不一致，因而对太阳振荡学模型构成挑战。

ABSTRACT

The solar photospheric oxygen abundance has been determined from [OI], OI, OH vibration-rotation and OH pure rotation lines by means of a realistic time-dependent, 3D, hydrodynamical model of the solar atmosphere. In the case of the OI lines, 3D non-LTE calculations have been performed, revealing significant departures from LTE as a result of photon losses in the lines. We derive a solar oxygen abundance of log O = 8.66 +/- 0.05. All oxygen diagnostics yield highly consistent abundances, in sharp contrast with the results of classical 1D model atmospheres. This low value is in good agreement with measurements of the local interstellar medium and nearby B stars. This low abundance is also supported by the excellent correspondence between lines of very different line formation sensitivities, and between the observed and predicted line shapes and center-to-limb variations. Together with the corresponding down-ward revisions of the solar carbon, nitrogen and neon abundances, the resulting significant decrease in solar metal mass fraction to Z = 0.0126 can, however, potentially spoil the impressive agreement between predicted and observed sound speed in the solar interior determined from helioseismology.

研究动机与目标

• 解决由太阳光球层不同谱线推导出的氧丰度之间长期存在的差异。
• 利用真实的三维时间依赖太阳大气流体动力学模型，确定太阳光球层的真实氧丰度。
• 评估非局部热动平衡效应和三维大气结构对氧线形成的影响，特别是针对 [O I]、O I 和 OH 线。
• 评估多种具有不同形成敏感度的诊断方法在氧丰度测定上的一致性。
• 探讨修正后太阳氧丰度对太阳内部模型的影响，尤其是太阳振荡学模型。

提出的方法

• 采用三维时间依赖的太阳大气流体动力学模型，模拟真实的米粒组织和对流运动。
• 对 O I 线执行三维非局部热动平衡辐射转移计算，考虑光子损失及偏离局部热动平衡状态。
• 利用合成光谱分析 [O I] 630.0 nm、O I 777.4 nm 三重线以及 OH 振动-转动和纯转动线。
• 将合成线轮廓和边缘变暗效应与高分辨率观测结果对比，以验证模型。
• 使用一致的原子数据，包括更新的跃迁概率，并在 [O I] 线中考虑与 Ni I 的混合影响。
• 评估不同诊断方法结果的一致性，并评估其对太阳金属丰度和太阳振荡学模型的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在考虑三维大气结构和非局部热动平衡效应时，太阳光球层的真实氧丰度是多少？
• RQ2 为何在 1D 模型中，不同氧指示剂——[O I]、O I 和 OH 线——会得出不一致的丰度？
• RQ3 非局部热动平衡偏离如何影响太阳光球层中 O I 线的形成？
• RQ4 三维流体动力学模型在多大程度上改善了观测与预测线轮廓及边缘变暗效应之间的一致性？
• RQ5 较低的氧丰度对太阳内部结构和太阳振荡学模型有何影响？

主要发现

• 利用三维时间依赖流体动力学模型和三维非局部热动平衡计算，确定太阳氧丰度为 log ε(O) = 8.66 ± 0.05。
• 当使用三维模型时，所有氧诊断方法——[O I]、O I 和 OH 线——得出的丰度高度一致，解决了此前在 1D 分析中观察到的差异。
• O I 线中的非局部热动平衡效应显著，主要源于光子损失，因此三维非局部热动平衡计算对准确测定丰度至关重要。
• 修正后的氧丰度导致太阳金属丰度降低至 Z = 0.0126，较先前的 Z = 0.0194 显著下调。
• 新丰度与本地星际介质及附近 B 型星的测量结果高度一致，解决了此前存在的过量丰度悖论。
• 较低的金属丰度对太阳振荡学模型构成挑战，因为预测的声速不再与观测结果匹配良好，提示光球层与内部丰度可能存在不一致，或 opacity 处理存在系统性误差。