[论文解读] Line formation in solar granulation VI. [C I], C I, CH and C2 lines and the photospheric C abundance

M. Asplund, N. Grevesse+3 more|ArXiv.org|Oct 28, 2004

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 3被引用 123

一句话总结

本研究利用三维流体动力学太阳模型和非局部热动平衡（non-LTE）修正，分析 [C i]、C i、CH 和 C₂ 线，确定了太阳光球层碳的丰度。结果得出显著更低的丰度：log ε_C = 8.39 ± 0.05，解决了长期存在的不同诊断方法之间的不一致，并将以往基于一维（1D）模型的估计值下调了 0.17 dex。

ABSTRACT

The solar photospheric carbon abundance has been determined from [C I], C I, CH vibration-rotation, CH A-X electronic and C2 Swan electronic lines by means of a time-dependent, 3D, hydrodynamical model of the solar atmosphere. Departures from LTE have been considered for the C I lines. These turned out to be of increasing importance for stronger lines and are crucial to remove a trend in LTE abundances with the strengths of the lines. Very gratifying agreement is found among all the atomic and molecular abundance diagnostics in spite of their widely different line formation sensitivities. The mean of the solar carbon abundance based on the four primary abundance indicators ([C I], C I, CH vibration-rotation, C_2 Swan) is log C = 8.39 +/- 0.05, including our best estimate of possible systematic errors. Consistent results also come from the CH electronic lines, which we have relegated to a supporting role due to their sensitivity to the line broadening. The new 3D based solar C abundance is significantly lower than previously estimated in studies using 1D model atmospheres.

研究动机与目标

• 解决由不同原子线和分子线得出的太阳碳丰度估计值之间的不一致。
• 利用最先进的三维流体动力学太阳大气模型，确定光球层碳的丰度。
• 考虑 C i 线中的非局部热动平衡效应，并评估其对丰度测定的影响。
• 在三维建模下，评估多种丰度指标（[C i]、C i、CH 振动-转动能级、C₂ Swan 线和 CH 电子跃迁）的一致性。
• 将太阳碳丰度与 B 型星、星际介质以及太阳风中的独立测量结果进行协调，并评估其对 C/O 比值的影响。

提出的方法

• 采用时间依赖的三维流体动力学模型模拟太阳光球层的真实大气结构与动力学。
• 对 C i 线应用非局部热动平衡辐射转移计算，揭示其与局部热动平衡存在显著偏离，尤其在强线中更为明显。
• 使用高精度的原子和分子数据，包括跃迁概率、激发能和离解能，数据来源为 VALD 和 NIST 数据库。
• 对 [C i] 872.7 nm、C i、CH 振动-转动能级、C₂ Swan 线和 CH A-X 跃迁的观测轮廓进行详细的光谱合成与 χ² 拟合。
• 采用 Anstee & O’Mara (1995) 和 Barklem et al. (1998) 的碰撞展宽表，对超出表格范围的谱线则以 Unsöld 公式作为备用。
• 在不同诊断方法之间进行比较，以检验一致性并识别系统性误差，三维模型使具有广泛不同温度和压强敏感度的谱线形成机制达成一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 当使用三维流体动力学模型分析多种原子和分子线时，太阳光球层碳的丰度是多少？
• RQ2 C i 线中的非局部热动平衡效应如何影响推导出的碳丰度？它们是否对结果一致性至关重要？
• RQ3 在三维建模和非局部热动平衡条件下，[C i]、C i、CH 和 C₂ 等不同丰度指标在多大程度上达成一致？
• RQ4 新的基于三维模型的碳丰度与以往基于一维模型的估计值以及 B 型星和星际介质中的独立测量结果相比如何？
• RQ5 新的碳丰度对太阳 C/O 比值有何影响？是否与太阳风和耀斑测量结果一致？

主要发现

• 太阳碳丰度确定为 log ε_C = 8.39 ± 0.05，该不确定度包含系统误差，基于四种主要诊断指标的平均值：[C i]、C i、CH 振动-转动能级和 C₂ Swan 线。
• C i 线中的非局部热动平衡效应显著，且随谱线强度增加而增强，其包含是消除 LTE 丰度随线强变化趋势的关键。
• 在三维模型中，所有主要丰度指标之间表现出极佳的一致性，尽管它们对温度和压强的敏感度差异极大，验证了结果的一致性。
• 三维模型解决了在一维模型中长期存在的原子线与分子线丰度不一致的问题，后者在分子线中系统性地高估了丰度。
• 新丰度显著低于以往基于一维模型的估计值：比 Anders & Grevesse (1989) 低 0.17 dex，比 Lambert (1978) 低 0.28 dex。
• 修订后的太阳 C/O 比值为 0.54 ± 0.09，与太阳耀斑测量值（0.54 ± 0.04）和太阳风测量值（0.47 ± 0.01）高度一致，支持了新的低碳丰度结论。