[论文解读] Oxygen Line Formation in Late-F through Early-K Disk/Halo Stars: Infrared O I Triplet and [O I] Lines

Yoichi Takeda|May 14, 2001

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 34被引用 53

一句话总结

本研究调查了晚F型至早K型盘星和晕星中氧线的非局部热动平衡（non-LTE）效应，重点关注红外O I三重线（7771–5）和禁线[O I]（6300/6363）。通过广泛的非LTE辐射转移计算，发现O I三重线可由仅依赖于线强度和大气参数的双能级原子散射模型良好描述，其非LTE修正与金属量无关；而[O I]线的LTE近似成立。在金属贫乏晕星中，O I与[O I]线之间系统性地存在0.3 dex的丰度差异，即使经过非LTE修正后仍持续存在，表明这些恒星中氧丰度测定存在根本性问题。

ABSTRACT

In order to investigate the formation of O {\sc i} 7771--5 and [O {\sc i}] 6300/6363 lines, extensive non-LTE calculations for neutral atomic oxygen were carried out for wide ranges of model atmosphere parameters, which are applicable to early-K through late-F halo/disk stars of various evolutionary stages. The formation of the triplet O {\sc i} lines was found to be well described by the classical two-level-atom scattering model, and the non-LTE correction is practically determined by the parameters of the line-transition itself without any significant relevance to the details of the oxygen atomic model. This simplifies the problem in the sense that the non-LTE abundance correction is essentially determined only by the line-strength ($W_λ$), if the atmospheric parameters of $T_{ m eff}$, $\log g$, and $ξ$ are given, without any explicit dependence of the metallicity; thus allowing a useful analytical formula with tabulated numerical coefficients. On the other hand, our calculations lead to the robust conclusion that LTE is totally valid for the forbidden [O {\sc i}] lines. An extensive reanalysis of published equivalent-width data of O {\sc i} 7771--5 and [O {\sc i}] 6300/6363 taken from various literature resulted in the conclusion that, while a reasonable consistency of O {\sc i} and [O {\sc i}] abundances was observed for disk stars ($-1 \la [{ m Fe}/{ m H}] \la 0$), the existence of a systematic abundance discrepancy was confirmed between O {\sc i} and [O {\sc i}] lines in conspicuously metal-poor halo stars ($-3 \la [{ m Fe}/{ m H}] \la -1$) without being removed by our non-LTE corrections, i.e., the former being larger by $\sim 0.3$ dex at $-3 \la [{ m Fe}/{ m H}] \la -2$.

研究动机与目标

• 研究晚F型至早K型盘星和晕星中红外O I三重线与[O I]禁线的形成机制。
• 评估非LTE效应对从这些谱线获得氧丰度测定的影响。
• 解决长期以来在金属贫乏恒星中由O I与[O I]线导出的氧丰度之间存在的差异问题。
• 确定该差异是由非LTE效应引起，还是源于基本的天体物理问题。
• 为金属贫乏恒星提供一种基于参数的、可靠的O I三重线非LTE修正公式。

提出的方法

• 针对适用于盘星和晕星的广泛模型大气参数范围（Teff, log g, ξ），进行了中性氧的广泛非LTE辐射转移计算。
• 采用双能级原子散射模型描述O I三重线的形成，利用Rybicki的数值方法求解源函数。
• 评估非LTE修正对线强度（Wλ）、有效温度、表面重力和原子模型参数的依赖性。
• 通过比较LTE与非LTE的出射通量，计算等效宽度并推导非LTE丰度修正（Δ）。
• 重新分析了多个文献来源发布的等效宽度数据，以比较不同金属量区间的O I与[O I]丰度。
• 评估三维流体动力学模型大气对丰度修正的影响，结论是其对O I与[O I]线的影响微小。

实验结果

研究问题

• RQ1 非LTE是否显著影响晚F型至早K型恒星中O I 7771–5三重线的形成？
• RQ2 在金属贫乏恒星中，O I与[O I]氧丰度观测差异是由非LTE效应引起，还是源于基本天体物理因素？
• RQ3 能否仅基于线强度和大气参数，为O I三重线推导出一个通用的非LTE修正公式？
• RQ4 O I三重线的非LTE修正如何依赖于金属量？该依赖性是否如模型所建议的那样可忽略？
• RQ5 为何O I–[O I]丰度差异在金属贫乏晕星中比在盘星中更显著？

主要发现

• O I 7771–5三重线的非LTE修正主要取决于线强度（Wλ）和大气参数（Teff, log g, ξ），对金属量的依赖可忽略不计。
• O I三重线的形成可由双能级原子散射模型良好描述，使非LTE修正仅依赖于线强度和局部大气条件。
• 对于禁线[O I] 6300/6363，LTE被稳健地证实成立，非LTE修正可忽略不计（|Δ| < 0.1 dex）。
• 在金属贫乏晕星中（−3 ≤ [Fe/H] ≤ −1），O I与[O I]丰度之间系统性地存在0.3 dex的差异，即使经过非LTE修正后仍持续存在。
• 在更高Teff/log g的恒星中，该差异不那么显著，表明矮星或亚巨星更适合作为金属贫乏星族中可靠氧丰度研究的样本。
• 三维流体动力学模型大气的修正不会显著改变结论，因为其对O I与[O I]线的影响微小或可忽略。