[论文解读] Lithium abundance and 6Li/7Li ratio in the active giant HD123351 I. A comparative analysis of 3D and 1D NLTE line-profile fits

A. Mott, M. Steffen+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 51被引用 17

一句话总结

本研究利用高分辨率CFHT光谱，对磁活动红巨星HD 123351中的锂共振双线进行了3D非局部热动平衡（non-LTE）分析。研究报告了$^{6}\mathrm{Li}/^{7}\mathrm{Li} = 8.0 \pm 4.4\%$的2σ检测结果，以及$A(\mathrm{Li}) = 1.69 \pm 0.11$ dex，由于在演化星中意外检测到脆弱的$^{6}\mathrm{Li}$同位素，这一结果对标准恒星演化模型提出了挑战。

ABSTRACT

Current three-dimensional (3D) hydrodynamical model atmospheres together with NLTE spectrum synthesis, permit to derive reliable atomic and isotopic chemical abundances from high-resolution stellar spectra. Not much is known about the presence of the fragile 6Li isotope in evolved solar-metallicity RGB stars, not to mention its production in magnetically active targets like HD123351. From fits of the observed CFHT spectrum with synthetic line profiles based on 1D and 3D model atmospheres, we seek to estimate the abundance of the 6Li isotope and to place constraints on its origin. We derive A(Li) and the 6Li/7Li isotopic ratio by fitting different synthetic spectra to the Li-line region of a high-resolution CFHT spectrum (R=120 000, S/R=400). The synthetic spectra are computed with four different line lists, using in parallel 3D hydrodynamical CO5BOLD and 1D LHD model atmospheres and treating the line formation of the lithium components in non-LTE (NLTE). We find A(Li)=1.69+/-0.11 dex and 6Li/7Li=8.0+/-4.4 % in 3D-NLTE, using the line list of Meléndez et al. (2012), updated with new atomic data for V I, which results in the best fit of the lithium line profile of HD123351. Two other line lists lead to similar results but with inferior fit qualities. Our 2-sigma detection of the 6Li isotope is the result of a careful statistical analysis and the visual inspection of each achieved fit. Since the presence of a significant amount of 6Li in the atmosphere of a cool evolved star is not expected in the framework of standard stellar evolution theory, non-standard, external lithium production mechanisms, possibly related to stellar activity or a recent accretion of rocky material, need to be invoked to explain the detection of 6Li in HD123351.

研究动机与目标

• 利用高分辨率光谱测定磁活动红巨星HD 123351中的锂丰度及$^{6}\mathrm{Li}/^{7}\mathrm{Li}$同位素比值。
• 通过比较1D与3D模型大气在非-LTE条件下的合成谱线轮廓，评估$^{6}\mathrm{Li}$检测的可靠性。
• 评估不同谱线列表和原子数据对推导出的同位素比值及丰度的影响。
• 在标准恒星演化理论无法解释$^{6}\mathrm{Li}$存在的情况下，探讨其来源。
• 识别在同位素比值测定中由谱线重叠和模型假设引起的系统性不确定度。

提出的方法

• 使用3D CO 5 BOLD和1D LHD模型大气，结合锂线形成的非-LTE处理，计算合成光谱。
• 利用高分辨率CFHT光谱（$R = 120,000$，信噪比≈400）对合成轮廓进行拟合，采用多个谱线列表，包括Lawler等人（2014）更新的原子数据。
• 在不同波长范围和假设条件下重复拟合过程，以量化$A(\mathrm{Li})$和$^{6}\mathrm{Li}/^{7}\mathrm{Li}$的系统性不确定度。
• Meléndez等人（2012）的谱线列表，经更新V i的$\log gf$值后，与观测到的Li线轮廓拟合最佳。
• 通过统计分析和拟合结果的视觉检查，验证了$^{6}\mathrm{Li}$在2σ水平上的检测结果。
• 通过替代谱线列表对结果进行交叉验证，以评估其稳健性并识别潜在错误，如因错误重叠导致的虚假负$^{6}\mathrm{Li}/^{7}\mathrm{Li}$比值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在演化且磁活动强烈的巨星HD 123351中，真实的$^{6}\mathrm{Li}/^{7}\mathrm{Li}$同位素比值是多少？
• RQ2 与1D LTE模型相比，3D非-LTE模型大气在多大程度上提高了锂同位素比值测定的准确性？
• RQ3 谱线列表组成和原子数据的不确定度在多大程度上影响了推导出的$^{6}\mathrm{Li}/^{7}\mathrm{Li}$比值？
• RQ4 观测到的$^{6}\mathrm{Li}$丰度能否由标准恒星演化解释，还是需要非标准过程？
• RQ5 该$^{6}\mathrm{Li}$检测对活动演化星中锂生成机制有何启示？

主要发现

• 利用3D-NLTE建模及Meléndez等人（2012）谱线列表（经更新V i $\log gf$值校正后），测得HD 123351中$^{6}\mathrm{Li}/^{7}\mathrm{Li}$同位素比值为$8.0 \pm 4.4\%$。
• 锂丰度测定为$A(\mathrm{Li}) = 1.69 \pm 0.11$ dex，与3D模型大气参数$T_{\rm eff} = 4780$ K、$\log g = 3.20$和$[\mathrm{Fe}/\mathrm{H}] = 0.00$一致。
• 经更新V i数据的Meléndez等人（2012）谱线列表与观测Li线轮廓拟合最佳，而Reddy等人（2002）的列表因错误的谱线重叠导致出现不合理的负$^{6}\mathrm{Li}/^{7}\mathrm{Li}$比值。
• 在2σ水平上检测到$^{6}\mathrm{Li}$的结果具有稳健性，得到了多种拟合配置下视觉检查与统计分析的支持。
• 观测到的$^{6}\mathrm{Li}/^{7}\mathrm{Li}$比值与标准恒星演化理论不一致，后者预测在首次包层对流后$^{6}\mathrm{Li}$几乎完全被破坏。
• 可能的解释包括近期吸积类地行星物质（约50个地球质量）或耀斑诱导的散裂反应，但后者因能量输出不足而被认为可能性较低。