[论文解读] Solar Chemical Abundances Determined with a CO5BOLD 3D Model Atmosphere

E. Caffau, H.‐G. Ludwig+3 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Mar 5, 2010

Atmospheric and Environmental Gas Dynamics被引用 13

一句话总结

本研究使用CO5BOLD三维流体动力学模型大气对太阳光球层丰度进行了重新评估，发现三维效应影响微小，不足以解释近年来太阳金属量的下调。分析得出太阳金属量为Z = 0.0153，Z/X = 0.0209，使光谱丰度与日震学约束达成一致。

ABSTRACT

In the last decade, the photospheric solar metallicity as determined from spectroscopy experienced a remarkable downward revision. Part of this effect can be attributed to an improvement of atomic data and the inclusion of NLTE computations, but also the use of hydrodynamical model atmospheres seemed to play a role. This "decrease" with time of the metallicity of the solar photosphere increased the disagreement with the results from helioseismology. With a CO5BOLD 3D model of the solar atmosphere, the CIFIST team at the Paris Observatory re-determined the photospheric solar abundances of several elements, among them C, N, and O. The spectroscopic abundances are obtained by fitting the equivalent width and/or the profile of observed spectral lines with synthetic spectra computed from the 3D model atmosphere. We conclude that the effects of granular fluctuations depend on the characteristics of the individual lines, but are found to be relevant only in a few particular cases. 3D effects are not reponsible for the systematic lowering of the solar abundances in recent years. The solar metallicity resulting from this analysis is Z=0.0153, Z/X=0.0209.

研究动机与目标

• 利用最先进的3D流体动力学模型大气重新评估太阳光球层丰度，以解决与日震学数据的差异。
• 确定颗粒化中的3D对流效应是否显著改变光谱丰度测定结果，相较于1D模型。
• 为碳、氮、氧、铁和锇等关键元素提供更新、更准确的丰度值，提升多种数据源之间的一致性。
• 评估3D修正在长期存在的“太阳丰度问题”（涉及金属量差异）背景下的作用。

提出的方法

• 采用时间依赖的3D流体动力学CO5BOLD模型大气，空间分辨率为140×140×150个网格点，覆盖5.6×5.6×2.27 Mm³区域。
• 利用3D模型中19个时间分离的快照进行合成光谱合成，以考虑动态颗粒化效应。
• 将3D模型结果与1D参考模型（⟨3D⟩、1D_LHD、Holweger-Müller、ATLAS-9）结果进行比较，以分离3D修正效应。
• 应用等效宽度和轮廓拟合技术处理观测到的太阳光谱，使用3D模型计算的合成光谱作为依据。
• 在可用情况下应用非-LTE修正，并使用高分辨率太阳光谱图集（如Delbouille）进行验证。
• 采用加权光谱线拟合，包括谱线重叠效应，以提高丰度测定的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与1D模型相比，3D对流效应在多大程度上系统性地改变光谱测定的太阳丰度？
• RQ2 颗粒化中的3D效应是否导致了过去十年中观测到的太阳金属量下调？
• RQ3 从3D模型导出的丰度与日震学约束及陨石值相比如何？
• RQ4 线重叠和轮廓不对称性对3D模型中丰度测定有何影响？
• RQ5 能否从3D模型中导出一个一致的太阳金属量，使光谱学与日震学结果相一致？

主要发现

• 3D模型得出的太阳金属量为Z = 0.0153，Z/X = 0.0209，高于Asplund等人（2009）和Lodders（2009）的先前值。
• 3D修正效应较小且依赖于谱线，无系统性趋势，无法解释近期太阳丰度的下调。
• 导出的氧丰度（A(O) = 8.76 ± 0.07）和铁丰度（A(Fe) = 7.52 ± 0.06）与日震学约束高度一致（A(O) = 8.86 ± 0.045，A(Fe) = 7.50 ± 0.048）。
• 锇丰度（A(Os) = 1.36 ± 0.19）与1D等效宽度结果一致，并且在轮廓拟合中包含重叠谱线后结果仍一致。
• 钍丰度（A(Th) = 0.08 ± 0.03）与陨石值匹配，证实与独立标准的一致性。
• 分析表明，3D效应并非金属量差异的原因；相反，修正后的金属量使光谱学结果与日震学更一致。