[论文解读] The solar photospheric abundance of carbon.Analysis of atomic carbon lines with the CO5BOLD solar model

E. Caffau, H.‐G. Ludwig+6 more|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|Feb 12, 2010

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 39被引用 56

一句话总结

本研究利用 CO5BOLD 3D 流体动力学太阳模型和 Kiel 程序计算的非局部热动平衡（NLTE）修正，重新评估了太阳光球层碳的丰度。得到的碳丰度为 A(C) = 8.50 ± 0.06，比以往的 3D 分析结果高约 0.1 dex，使太阳金属丰度（Z = 0.0154）与日震学约束更加一致。

ABSTRACT

The use of hydrodynamical simulations, the selection of atomic data, and the computation of deviations from local thermodynamical equilibrium for the analysis of the solar spectra have implied a downward revision of the solar metallicity. We are in the process of using the latest simulations computed with the CO5BOLD code to reassess the solar chemical composition. We determine the solar photospheric carbon abundance by using a radiation-hydrodynamical CO5BOLD model, and compute the departures from local thermodynamical equilibrium by using the Kiel code. We measure equivalent widths of atomic CI lines on high resolution, high signal-to-noise ratio solar atlases. Deviations from local thermodynamic equilibrium are computed in 1D with the Kiel code. Our recommended value for the solar carbon abundance, relies on 98 independent measurements of observed lines and is A(C)=8.50+-0.06, the quoted error is the sum of statistical and systematic error. Combined with our recent results for the solar oxygen and nitrogen abundances this implies a solar metallicity of Z=0.0154 and Z/X=0.0211. Our analysis implies a solar carbon abundance which is about 0.1 dex higher than what was found in previous analysis based on different 3D hydrodynamical computations. The difference is partly driven by our equivalent width measurements (we measure, on average, larger equivalent widths with respect to the other work based on a 3D model), in part it is likely due to the different properties of the hydrodynamical simulations and the spectrum synthesis code. The solar metallicity we obtain from the CO5BOLD analyses is in slightly better agreement with the constraints of helioseismology than the previous 3D abundance results. (Abridged)

研究动机与目标

• 利用最先进的 3D 流体动力学模拟和 NLTE 修正，重新评估太阳光球层碳的丰度。
• 解决光谱太阳丰度与日震学约束之间的差异，特别是关于太阳金属丰度的问题。
• 评估更新的流体动力学模型（CO5BOLD）和改进的原子数据对碳丰度测定的影响。
• 量化氢碰撞致宽处理（S_H = 1/3）和线选择在分析中带来的不确定性。
• 提高光谱丰度测定与太阳日震观测之间的一致性。

提出的方法

• 从高分辨率、高信噪比的太阳圆面中心强度和全盘积分通量太阳光谱图中测量了 98 条独立的 C i 线的等效宽度。
• 使用 CO5BOLD 3D 流体动力学太阳模型进行光谱合成，以模拟太阳大气和辐射转移。
• 利用 Kiel 程序计算 NLTE 修正，以 CO5BOLD 模拟得到的一维平均温度结构作为背景模型。
• 采用一致的氢碰撞致宽处理，S_H = 1/3，该值为先前太阳丰度研究的首选值。
• 综合统计误差和系统误差估计，后者主要由氢碰撞效率的不确定性主导。
• 使用 NIST 数据库及补充来源（Bièmont et al. 1993；Asplund et al. 2005a）获取精确的跃迁概率（log gf）。

实验结果

研究问题

• RQ1 当使用 CO5BOLD 3D 流体动力学模型和 NLTE 修正时，太阳光球层碳的丰度是多少？
• RQ2 与以往基于 3D 的测定结果以及经典的 A(C) = 8.52 ± 0.06 值相比，新的碳丰度有何不同？
• RQ3 与早期 3D 模型相比，CO5BOLD 模型在多大程度上改善了与日震学约束的一致性？
• RQ4 在流体动力学模型、线选择和 NLTE 处理方面存在差异时，丰度结果的差异有多大？
• RQ5 氢碰撞致宽参数 S_H 对最终碳丰度测定有何影响？

主要发现

• 推荐的太阳碳丰度为 A(C) = 8.50 ± 0.06，误差为统计误差（0.02 dex）和系统误差（0.04 dex）的线性叠加。
• 该值比以往基于 3D 的测定结果（如 Asplund et al. 2005a 所得）高出约 0.1 dex，更接近经典的 8.52 ± 0.06 值。
• 结合近期的氧和氮丰度，由此碳丰度推导出的太阳金属丰度为 Z = 0.0154，Z/X = 0.0211，高于 Asplund et al. (2005b) 的 Z = 0.0122。
• 与日震学约束的改进一致性表明，CO5BOLD 模型和该丰度测定更准确地再现了太阳的内部结构。
• 本研究与早期 3D 分析之间丰度结果的差异，部分源于更大的等效宽度测量值，部分源于流体动力学模型和光谱合成代码的差异。
• 氢碰撞致宽（S_H）的不确定性仅对总误差贡献约 0.08 dex，表明结果在合理 S_H 值范围内具有稳健性。