[论文解读] On the oxygen abundance determination in HII regions: the problem of the line intensities -- oxygen abundance calibration

L. S. Pilyugin|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2000

Laser-induced spectroscopy and plasma被引用 5

一句话总结

本文提出 p 方法，一种基于 [OII]λλ3727,3729 和 [OIII]λλ4959,5007 线强度计算出的激发参数 p₂ 和 p₃ 的新校准方法，用于 HII 区氧丰度测定，该方法考虑了物理条件的变化。该方法在低金属丰度区域的氧丰度测定精度可与温度敏感的 Tₑ 方法相媲美，并且相较于传统的 R₂₃ 方法更为可靠，与旧的校准方法（如 Edmunds & Pagel, 1984）相比，系统误差减少了约 0.07 dex。

ABSTRACT

The problem of the line intensities -- oxygen abundance calibration has been considered. We confirm the idea of McGaugh (1991) that the strong oxygen lines ([OII] 3727, 3729 and [OIII] 4959, 5007) contain the necessary information for determination of accurate abundances in low-metallicity (and may be also in high-metallicity) HII regions. It has been found that the excitation parameters p3 or p2 (which are defined here as contributions of the radiation in [OIII] 4959, 5007 lines and in [OII] 3727, 3729 lines to the "total" oxygen radiation respectively) allow to take into account the variations in R23 values among HII regions with a given oxygen abundance. Based on this fact a new way of the oxygen abundance determination in HII regions has been constructed and corresponding relations between line intensities and the oxygen abundance have been derived empirically using the available oxygen abundances determined via measurement of temperature-sensitive line ratios. In parallel a new R23 calibration has been derived on the base of recent data and compared to previous calibrations. For oxygen-rich HII regions the present R23 calibration is close to that of Edmunds and Pagel (1984): their calibration has the same slope but is shifted towards higher oxygen abundances by around 0.07 dex as compared to the present calibration.

研究动机与目标

• 为解决 R₂₃ 方法在氧丰度测定中因未考虑 HII 区域间物理条件变化而导致的系统误差。
• 开发一种新校准方法，整合激发参数（p₂ 和 p₃），以提高低金属丰度和高金属丰度 HII 区域的测定精度。
• 基于近期高质量的 Tₑ 方法丰度数据，推导新的 R₂₃ 校准，提升与直接温度测量结果的一致性。
• 通过与 Tₑ 方法对比验证新 p 方法的可靠性，特别是在 Tₑ 线不可检测的低金属丰度环境中。
• 通过考虑谱线激发差异，解决基于 R₂₃ 和基于 Tₑ 的氧丰度测定之间的差异。

提出的方法

• p 方法将激发参数 p₂ 和 p₃ 定义为 [OII]λλ3727,3729 和 [OIII]λλ4959,5007 线辐射占总氧线辐射的分数贡献。
• 利用具有 Tₑ 方法丰度的 HII 区样本，推导出 p₂、p₃ 与氧丰度（12 + log(O/H)）之间的经验关系。
• 该方法使用观测到的谱线强度计算 p₂ 和 p₃，进而用于预测氧丰度，而无需依赖温度敏感线。
• 基于相同的 Tₑ 方法数据，推导出新的 R₂₃ 校准，其精度更高，且与以往校准相比系统偏差更小。
• 通过将 p 方法的丰度结果与低金属丰度 HII 区域及 NGC2403 中的 Tₑ 方法结果进行比较，验证了该方法。
• 该方法已应用于旋涡星系和不规则星系中的 HII 区域，包括 Shaver 等人（1983）、Izotov & Thuan 及 Garnett 等人（1997）提供的高质量数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同 HII 区域中，给定氧丰度下 R₂₃ 值的变化是否能通过激发参数 p₂ 和 p₃ 有效解释？
• RQ2 p 方法是否能在低金属丰度环境中实现与 Tₑ 方法相当的氧丰度测定精度？
• RQ3 与以往校准方法（如 Edmunds & Pagel 1984）相比，新 R₂₃ 校准在斜率和零点偏移方面表现如何？
• RQ4 与标准 R₂₃ 方法相比，p 方法在富氧 HII 区域中能将系统误差减少多少？
• RQ5 当 Tₑ 线不可检测时，p 方法是否足够稳健，足以替代 R₂₃ 方法用于丰度研究？

主要发现

• 在低金属丰度 HII 区域中，p 方法可实现与 Tₑ 方法相当的氧丰度测定精度，即使在温度敏感线不可检测时亦然。
• 激发参数 p₂ 和 p₃ 有效解释了在固定氧丰度下 R₂₃ 值的变化，显著降低了丰度校准中的系统误差。
• 新 R₂₃ 校准的斜率与 Edmunds & Pagel（1984）相同，但整体向较低氧丰度方向偏移约 -0.07 dex。
• p 方法显著减少了基于 R₂₃ 和基于 Tₑ 的丰度测定之间的差异，尤其在低金属丰度区域，R₂₃ 方法的值可能高出达 0.3 dex。
• 在富氧 HII 区域中，p 方法的表现与 Tₑ 方法相当，这得到了间接证据支持，并与 NGC2403 的径向丰度分布一致。
• 发现 Edmunds & Pagel（1984）的校准系统性地偏高约 0.07 dex，这解释了以往丰度比较中出现的差异。