[论文解读] The solar carbon, nitrogen, and oxygen abundances from a 3D LTE analysis of molecular lines

A. M. Amarsi, N. Grevesse+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2021

Astro and Planetary Science参考文献 69被引用 37

一句话总结

本研究利用时间依赖的3D辐射流体动力学太阳大气模型，对太阳光谱中的408条C2、CH、NH、OH、CN及12C16O分子谱线进行了3D LTE分析。结果得出太阳碳、氮、氧的丰度分别为log ϵC = 8.47 ± 0.02，log ϵN = 7.89 ± 0.04，log ϵO = 8.70 ± 0.04；其中氮的丰度与原子谱线指标相比存在0.12 dex的偏差，而碳和氧的丰度与以往的3D非局部热动平衡（non-LTE）结果高度一致。

ABSTRACT

Carbon, nitrogen, and oxygen are the fourth, sixth, and third most abundant elements in the Sun. Their abundances remain hotly debated due to the so-called solar modelling problem that has persisted for almost $20$ years. We revisit this issue by presenting a homogeneous analysis of $408$ molecular lines across $12$ diagnostic groups, observed in the solar intensity spectrum. Using a realistic 3D radiative-hydrodynamic model solar photosphere and LTE (local thermodynamic equilibrium) line formation, we find $\log\epsilon_{C} = 8.47\pm0.02$, $\log\epsilon_{N} = 7.89\pm0.04$, and $\log\epsilon_{O} = 8.70\pm0.04$. The stipulated uncertainties mainly reflect the sensitivity of the results to the model atmosphere; this sensitivity is correlated between the different diagnostic groups, which all agree with the mean result to within $0.03$ dex. For carbon and oxygen, the molecular results are in excellent agreement with our 3D non-LTE analyses of atomic lines. For nitrogen, however, the molecular indicators give a $0.12$ dex larger abundance than the atomic indicators, and our best estimate of the solar nitrogen abundance is given by the mean: $7.83$ dex. The solar oxygen abundance advocated here is close to our earlier determination of $8.69$ dex, and so the present results do not significantly alleviate the solar modelling problem.

研究动机与目标

• 通过利用分子谱线重新评估太阳碳、氮和氧的丰度，以解决长期存在的太阳模型问题。
• 解决日震学推断与太阳内部模型之间的差异，后者对不透明度和成分高度敏感。
• 使用现代3D模型大气，对太阳光谱中的分子诊断工具进行统一且高精度的分析。
• 调和分子与原子丰度指标之间的差异，特别是针对氮元素，其存在显著偏差。
• 评估更新的分子数据、改进的模型大气以及一致的谱线形成方法对元素丰度测定的影响。

提出的方法

• 采用有效温度为5773 K、太阳成分基于Asplund等（2009）的3D辐射流体动力学太阳大气模型（STAGGER-grid）。
• 利用3D模型大气进行LTE谱线形成计算，合成分子跃迁的理论光谱。
• 从12个诊断组（C2、CH、NH、OH、CN、12C16O）中选取408条未重叠的分子谱线，要求信噪比高且等效宽度可靠。
• 从高分辨率太阳光谱图集（Liege、Hamburg、ATMOS、ACE）中测量等效宽度，并在不同数据集间进行交叉验证。
• 采用来自近期高精度汇编的统一原子数据（跃迁概率、配分函数）（Brooke等2013–2016；Masseron等2014；Li等2015；Barklem & Collet 2016）。
• 使用生长曲线法推导元素丰度，不确定性主要来自模型大气的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在使用3D LTE谱线形成方法时，从分子谱线得出的太阳碳、氮和氧的丰度是多少？
• RQ2 与以往基于3D非局部热动平衡的原子丰度测定相比，分子谱线的结果如何？
• RQ3 分子指标在多大程度上缓解或加剧了太阳模型问题？
• RQ4 分子与原子氮丰度之间存在偏差的原因是什么？能否实现调和？
• RQ5 更新的分子数据和3D模型大气如何影响太阳丰度测定的精度与一致性？

主要发现

• 太阳碳丰度测定为log ϵC = 8.47 ± 0.02，与3D非局部热动平衡原子谱线分析结果高度一致。
• 分子谱线得出的太阳氮丰度为log ϵN = 7.89 ± 0.04，比Amarsi等（2020a）的3D非局部热动平衡原子结果高0.12 dex。
• 太阳氧丰度为log ϵO = 8.70 ± 0.04，与3D非局部热动平衡原子结果8.69 dex一致，仅比Asplund等（2009）的值高0.01 dex。
• 分子结果表现出极佳的内部一致性，所有12个诊断组的丰度值均在平均值±0.03 dex范围内。
• 与原子指标相比，分子谱线得出的氮丰度高出0.06 dex，表明可能存在系统性偏差，其原因可能源于谱线重叠、模型敏感性或非局部热动平衡效应。
• 采用分子丰度后，太阳表面金属丰度Z提高至0.0142，Z/X提高至0.0191，其中氮贡献了35%的增加量，但变化仍在观测不确定度范围内。