[论文解读] The Stagger-grid: A Grid of 3D Stellar Atmosphere Models - II. Horizontal and Temporal Averaging and Spectral Line Formation

Z. Magic, R. Collet+2 more|Jul 11, 2013

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 26被引用 34

一句话总结

本文評估了來自 Stagger-grid 的 3D 恆星大氣模型中不同平均方法對 LTE 光譜譜線形成的影響。研究發現，基於柱質量密度的平均方法（$\langle\mathrm{3D}\rangle_m$）最能再現完整的 3D 譜線強度，而基於光學深度的平均方法（$\langle\mathrm{3D}\rangle_\tau$）表現較差，這是因為非線性消光係數效應以及在金屬貧乏恆星中出現的反向顆粒化效應，特別是對低激發能的 Fe I 譜線影響顯著。

ABSTRACT

We study the implications of averaging methods with different reference depth scales for 3D hydrodynamical model atmospheres computed with the Stagger-code. The temporally and spatially averaged (hereafter denoted as <3D>) models are explored in the light of local thermodynamic equilibrium (LTE) spectral line formation by comparing spectrum calculations using full 3D atmosphere structures with those from <3D> averages. We explore methods for computing mean <3D> stratifications from the Stagger-grid time-dependent 3D radiative hydro- dynamical atmosphere models by considering four different reference depth scales (geometrical depth, column-mass density, and two optical depth scales). Furthermore, we investigate the influence of alternative averages (logarithmic or enforced hydrostatic equilibrium, flux-weighted temperatures). For the line formation we compute curves of growth for Fe i and Fe ii lines in LTE . The resulting <3D> stratifications for the four reference depth scales can be considerably different. We find typically that in the upper atmosphere and in the superadiabatic region just below the optical surface, where the temperature and density fluctuations are highest, the differences become considerable and increase for higher Teff, lower logg, and lower [Fe/H]. The differential comparison of spectral line formation shows distinctive differences depending on which <3D> model is applied. The averages over layers of constant column-mass density yield the best mean <3D> representation for LTE line formation, while the averages on layers at constant geometrical height are the least appropriate. Unexpectedly, the usually preferred averages over layers of constant optical depth are prone to the increasing interference of the reversed granulation towards higher effective temperature, in particular at low metallicity.

研究动机与目标

• 評估不同參考深度尺度（幾何高度、柱質量密度與光學深度）對時間與空間平均之 3D 恆星大氣模型的影響。
• 確定哪種平均方法最能保留 Fe I 與 Fe II 譜線在 LTE 條件下的光譜譜線形成特性。
• 探討金屬貧乏恆星中反向顆粒化效應的作用及其對平均方法的影響。
• 針對 $\langle\mathrm{3D}\rangle$ 模型在光譜分析與恆星參數測定中的最佳應用提供建議。
• 評估 1D 模型的限制以及 $\langle\mathrm{3D}\rangle$ 模型在金屬貧乏恆星中的適用性。

提出的方法

• 使用四種參考深度尺度計算 $\langle\mathrm{3D}\rangle$ 垂直結構：幾何高度、柱質量密度，以及兩種類似 Rosseland 光學深度的尺度。
• 對 Stagger-grid 中時間依賴的 3D RHD 模型在不同 $T_{\mathrm{eff}}$、$\log g$ 和 $[\mathrm{Fe}/\mathrm{H}]$ 條件下執行時間與空間平均。
• 利用完整 3D 模型與每種 $\langle\mathrm{3D}\rangle$ 變體，執行 Fe I 與 Fe II 譜線的 LTE 光譜譜線形成計算。
• 比較完整 3D 與 $\langle\mathrm{3D}\rangle$ 模型之間的譜線輪廓與成長曲線，以量化差異。
• 分析光學深度定義中非線性消光係數效應對平均模型統計性質的影響。
• 評估其他平均方法，如對數平均、通量加權溫度平均，以及強制靜力平衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同參考深度尺度（幾何高度、柱質量密度、光學深度）如何影響 $\langle\mathrm{3D}\rangle$ 模型再現完整 3D 大氣結構的準確性？
• RQ2 為何基於光學深度的平均方法（$\langle\mathrm{3D}\rangle_\tau$）在光譜譜線形成中表現劣於基於柱質量密度的平均方法（$\langle\mathrm{3D}\rangle_m$）？
• RQ3 金屬貧乏恆星中的反向顆粒化效應如何影響 $\langle\mathrm{3D}\rangle$ 模型的統計性質，特別是那些在恆定光學深度上平均的模型？
• RQ4 與完整 3D 模型及 $\langle\mathrm{3D}\rangle$ 模型相比，1D MLT 模型在金屬貧乏恆星中多大程度上無法再現光譜譜線強度？
• RQ5 在使用 Stagger-grid 的 $\langle\mathrm{3D}\rangle$ 模型進行光譜合成時，哪種平均方法最為理想？

主要发现

• 基於柱質量密度的 $\langle\mathrm{3D}\rangle$ 平均方法（$\langle\mathrm{3D}\rangle_m$）最接近完整 3D 光譜譜線強度，特別是對低激發能的 Fe I 譜線。
• 基於光學深度的平均方法（$\langle\mathrm{3D}\rangle_\tau$）準確度顯著較低，原因在於非線性消光係數效應以及對上層大氣中反向顆粒化的增強取樣。
• $\langle\mathrm{3D}\rangle_\tau$ 的表現隨 $T_{\mathrm{eff}}$ 增加與 $[\mathrm{Fe}/\mathrm{H}]$ 減小而惡化，特別是對金屬貧乏模型影響更為顯著。
• 基於幾何高度的平均方法（$\langle\mathrm{3D}\rangle_z$）最不適合光譜譜線形成，儘管其能保持靜力平衡，且對星震學研究較為有用。
• 完整 3D 與 $\langle\mathrm{3D}\rangle_\tau$ 模型之間的差異在金屬貧乏恆星中對低激發能的中性鐵譜線最為顯著。
• 1D MLT 模型在太陽金屬豐度下表現尚可，但在金屬貧乏恆星中會引入系統性誤差，強調了需要使用基於 3D 的修正。