[论文解读] Self-broadening in Balmer line wing formation in stellar atmospheres

P. S. Barklem, N. Piskunov+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2000

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 4被引用 12

一句话总结

本文提出了一种改进的氢线自加宽的量子力学理论，适用于恒星大气层，同时考虑了共振相互作用和色散-感应相互作用（通过范德华力），且无需使用多极展开。结果表明，引入色散-感应效应可显著提高合成谱与观测到的巴尔末线轮廓在冷星中的吻合度，特别是在金属丰度较低的恒星中，解决了与旧的Ali & Griem（1966）理论相比在有效温度测定中出现的不一致问题。

ABSTRACT

Details of a theory of self-broadening of hydrogen lines are presented. The main features of the new theory are that the dispersive-inductive components of the interaction (van der Waals forces) have been included, and the resonance components have been computed by perturbation theory without the use of the multipole expansion. The theory is applied to lower Balmer lines and the theoretical and observational impact of the new broadening theory is examined. It is shown that this theory leads to considerable differences in the predicted line profiles in cool stars when compared with previous theories which include only resonance interactions. In particular, the effect is found to be very important in metal poor stars. The theory provides a natural explanation for the behaviour of effective temperatures derived from Balmer lines by others using a theory which includes only resonance broadening. When applied to Balmer lines in the solar spectrum the theory predicts an improved agreement between observed and computed profiles for models which also match limb darkening curves and rules out a model which does not. However significant discrepancies still remain which could be due to inadequacies in our theory or the atmospheric model or both.

研究动机与目标

• 为恒星大气中氢线自加宽发展一个更精确的理论框架，特别是在冷星中。
• 解决Ali & Griem（1966）理论的局限性，该理论忽略了色散-感应相互作用，并使加宽量低估了两倍。
• 提高观测到的巴尔末线轮廓与合成模型之间的一致性，特别是在金属丰度较低的恒星和太阳光球层中。
• 解决先前模型在同时匹配边缘暗化和巴尔末线轮廓时出现的矛盾，这些矛盾曾导致模型可接受性相互冲突。
• 为利用巴尔末线作为诊断工具实现更精确的有效温度测定提供基础。

提出的方法

• 使用时间依赖微扰理论对电子-原子相互作用进行形式化的量子力学处理，以计算共振和色散-感应贡献。
• 将范德华力作为色散-感应相互作用纳入理论，避免对共振项使用多极展开。
• 将该理论应用于具有不同金属丰度和温度结构的模型恒星大气中的低阶巴尔末线（Hα、Hβ、Hγ）。
• 利用新加宽理论合成线轮廓，并与太阳和恒星的观测光谱进行比较。
• 使用多个大气模型（KOVER、HOLMUL、MARCS、ATLAS）测试理论的鲁棒性和与边缘暗化及线轮廓数据的一致性。
• 通过比较不同频率偏离线心时的合成轮廓，评估影响近似法的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在冷恒星大气中，色散-感应相互作用对巴尔末线自加宽的影响与仅考虑共振贡献相比如何？
• RQ2 在太阳和金属丰度较低的恒星中，引入色散-感应效应在多大程度上改善了合成与观测巴尔末线轮廓之间的吻合度？
• RQ3 为何先前使用Ali & Griem（1966）理论的模型在同时匹配巴尔末线轮廓和边缘暗化曲线时产生不一致的结果？
• RQ4 新加宽理论能否解决基于巴尔末线推导的有效温度与基于其他方法（如红外通量法）得出的温度之间的差异？
• RQ5 影响近似法在Hα和Hβ中的有效范围是什么？它在不同大气条件下如何影响轮廓合成？

主要发现

• 引入色散-感应相互作用显著增加了预测的线翼强度，特别是在Hα和Hβ的外翼区域，从而更符合观测结果。
• 当应用于HOLMUL模型时，新理论显著减少了观测与合成巴尔末线轮廓之间的差异，该模型此前无法匹配边缘暗化曲线。
• 当应用新理论时，此前因匹配巴尔末线而被青睐但与边缘暗化不一致的KNOVER模型被排除，从而解决了长期存在的模型矛盾。
• 在金属丰度较低的恒星中，色散-感应加宽效应尤为显著，为使用Ali & Griem（1966）理论时推导出的异常有效温度提供了自然解释。
• 对于太阳光谱，新理论改善了轮廓合成，特别是在线翼区域，且支持同时匹配边缘暗化的模型，尽管仍存在少量残余差异。
• 初步结果显示，与Ali & Griem（1966）方法相比，使用新理论时，基于巴尔末线推导的有效温度与独立方法（如红外通量法）得出的温度之间具有更强的相关性。