综述：Sr II、Ba I和Ba II的超精细结构研究：一种用于建模低位能级的MCDHF方法

《Atoms》：Study of the Hyperfine Structure of Sr II, Ba I and Ba II: An MCDHF Approach for Modeling the Low-Lying Levels Lorenzo Nezosi, Lucas Maison, Patrick Palmeri, Per J?nsson and Michel Godefroid

　　

在本论文中，研究人员讨论了为两个奇Z化学元素（即研究较少的钾和铜）的光谱进行非局部热动平衡（non-LTE）分析而开发的原子模型，这些元素的原子核通常被认为在宇宙中通过不同的天体物理过程形成。K I和Cu I原子模型在过去十年中被开发并更新，并应用于确定这些元素在不同金属丰度（从太阳丰度到极低金属丰度）的热和冷矮星、巨星和超巨星中的非LTE丰度。钾和铜在年老金属贫乏晕星中的丰度引起了相当大的兴趣，因为这些天体承载了早期银河系中II型超新星和超新星核合成的印记。这些原子光谱的绝大多数研究都是基于LTE假设的。在某些情况下，这种方法导致了错误的结果，有时影响了研究人员对恒星和恒星系统演化过程的理解。本文的主要目的是强调使用非LTE恒星丰度数据来改进或修改现有宇宙化学演化理论模型的重要性。特别是，与LTE数据相比，年老银河系恒星中铜丰度获得了显著不同的结果。这一发现可能会激励化学动力学模型领域的专家寻找该元素在大质量恒星中形成的现实途径。尽管如此，自首次关于年老银河系恒星中铜丰度的非LTE结果以来，LTE数据仍被使用了数年。这种情况严重阻碍了宇宙核合成某些方面研究的进展。

1. 引言
众所周知，恒星中的元素丰度对于正确理解恒星物理学、行星系统、星团、银河系物理学以及银河系外恒星系统至关重要。大约在20世纪中叶，局部热动平衡（LTE）假设在恒星大气中开始被广泛用作确定恒星元素丰度的标准方法。自那时起，已获得了大量丰度数据。在LTE概念中，温度是最重要的参数之一。考虑到恒星大气等离子体中的各种微观过程，可以区分几种“类型”的温度：动理学温度T_k描述大气中气体粒子的运动；激发温度T_ex描述激发过程；电离温度T_i描述电离过程。当T_k = T_ex = T_i时定义LTE。辐射温度T_r描述辐射场。当所有温度相等时定义完全热动平衡。由于恒星大气中的辐射可以传播很远的距离，辐射温度在不同点可能变化，辐射场可能不与物质平衡。自20世纪下半叶以来，人们认识到基于LTE假设的简化光谱分析方法常常产生不可靠的结果，影响对宇宙各种过程的理解。随着更强大的计算和观测工具的出现，以及包含能级、振子强度、电离截面等信息的原子数据库的可用性，放弃LTE假设成为可能，从而可以详细研究大气等离子体中的微观过程，更现实地确定某些原子和离子的能级布居（非LTE近似）。尽管在某些情况下LTE和非LTE丰度结果合理一致，但存在一些有问题的元素（原子和离子及其谱线）表现出显著差异。一个典型的例子是从氧三重线推断的恒星氧丰度，这些谱线在LTE分析中已被弃用。然而，一些研究仍在使用有问题的元素的LTE丰度，例如铜。但中性铜线在金属贫乏星中受到非常强的非LTE效应影响。

2. 非LTE光谱分析
非LTE近似要求找到原子能级在辐射和碰撞过程中适当的布居。通常，能级布居用b因子表示，源函数用普朗克函数和b因子之比表示。一维非LTE计算可使用MULTI程序结合Kurucz大气模型（ATLAS9）进行。MULTI的修改版本包括：来自ATLAS9的不透明度源，可更准确计算紫外连续谱不透明度和强度；可计算混合谱线的联合轮廓，考虑恒星旋转和仪器轮廓；将MULTI计算的b因子传输到SynthV程序计算合成光谱，使用非LTE源函数和LTE源函数。振子强度通常取自维也纳原子谱线数据库（VALD）。彻底的非LTE分析必须考虑所研究原子与氢原子之间的非弹性碰撞过程，通常使用Drawin公式，但该方法被认为缺乏物理依据。尽管如此，在钾和铜中性原子的非LTE分析中仍使用了该公式。下文使用以下定义：元素丰度（El/H）= log ε(El/H) + 12.00；相对太阳丰度[El/H] = log ε(El/H)* - log ε(El/H)_Sun；相对铁丰度[El/Fe] = log ε(El/Fe)* - log ε(El/Fe)_Sun。

3. 钾和铜光谱非LTE分析的原子模型
3.1 钾
钾（Z=19）有两个稳定同位素：³⁹K和⁴¹K。最丰富的同位素可在氧燃烧期间形成。钾的第一电离势较低（4.34 eV），可能是极冷恒星大气中电子的主要贡献者。光谱分析通常使用两条共振线：7664.899和7698.964 ?。
3.1.1 LTE和早期非LTE分析
早期LTE分析显示[K/Fe]随金属丰度降低而增加。非LTE分析首次应用于太阳钾丰度测定，使用简单原子模型得到接近当前接受值的丰度。随后，使用更复杂模型（20-68个能级）的研究表明非LTE修正显著，共振线修正约-0.4至-0.7 dex。对金属贫乏星的研究发现[K/Fe]随金属丰度降低缓慢增加，在[Fe/H] ≈ -1至-2 dex时约为+0.3至+0.4 dex。
3.1.2 用于非LTE分析的原子模型及在极金属贫乏星中的初步结果
Andrievsky等人开发了钾原子模型，基于20个能级和K II基态，考虑了精细分裂，共62个束缚-束缚跃迁，使用来自数据库的振子强度、光致电离截面和碰撞速率。氢原子碰撞使用修正因子0.05。LTE和非LTE丰度的根本差异源于K I第一能级的过度复合，导致LTE丰度高估。对35颗金属贫乏晕星巨星的丰度测定显示[K/Fe]分布均匀，支持钾核在大质量恒星中形成的假设。
3.1.3 冷星中钾丰度非LTE研究的最新进展
最近使用7698.964 ?线的非LTE分析显示，盘星和晕星中[K/Fe]约+0.2 dex，非LTE修正显著。使用最新原子碰撞数据的研究表明，在低金属丰度区间，非LTE分析显示[K/Fe]略有增加并趋于平台，与Andrievsky等人的结果一致。对红外K I线的研究表明非LTE效应对某些线不可忽略，而其他线可在LTE条件下分析。

3.2 铜
铜（Z=29）有两个稳定同位素：⁶³Cu和⁶⁵Cu。铜的丰度分布呈现异常：随金属丰度降低，[Cu/Fe]也降低。可能的形成过程包括s-和r-过程。早期LTE丰度数据显示[Cu/Fe]从-0.5 dex降至-1 dex。
3.2.1 金属贫乏星中LTE铜丰度问题
对六颗金属贫乏星的分析显示，从Cu II线得到的铜丰度比从Cu I线得到的丰度高0.36 ± 0.06 dex，证明Cu I线受非LTE效应强烈影响。
3.2.2 金属贫乏晕星中铜的非LTE先驱性研究
非LTE分析首次应用于太阳，模型包含96个Cu I项和Cu II基态，主要非LTE效应是紫外辐射引起的过度电离。对金属贫乏星的研究发现非LTE修正随金属丰度降低而增加。Andrievsky等人开发了包含130个能级的铜原子模型，考虑精细分裂，共486个束缚-束缚跃迁，使用来自数据库的数据。非LTE效应导致中性铜原子过度电离，削弱谱线，LTE丰度被低估，非LTE修正为正，并且差异向低金属丰度增加。对金属贫乏晕星的分析显示[Cu/Fe]分布平坦，与LTE结果相反。
3.2.3 金属贫乏星中铜研究的新视角
新的非弹性碰撞数据可能导致最金属贫乏星（[Fe/H] < -3 dex）的[Cu/Fe]接近太阳甚至超过太阳，这一发现若被证实将对银河系化学演化理解产生决定性影响。

4. 讨论
钾共振线受非LTE效应显著影响。LTE和非LTE的[K/Fe]分布不一致，非LTE数据与理论预测符合更好，但仍需额外钾源。LTE铜丰度错误显示铜为次要元素，而非LTE分析表明铜在早期银河系中表现为主要元素，由大质量恒星产生。

5. 总结
综合新数据，在低金属丰度区间，钾和铜表现相似。年老晕星在[Fe/H]从-4到-2 dex范围内，[El/Fe]接近太阳值。非LTE近似降低了LTE钾丰度，显著增加了LTE铜丰度，这与之前认为铜在早期银河系中显著缺乏的观点形成鲜明对比。非LTE分析领域进展迅速，未来新结果将进一步改善对宇宙化学演化的理解。