重要元素近红外波段谱线的NLTE丰度分析

恒星元素丰度是研究星系化学演化的最好探针。确定恒星元素丰度目前主要基于两种假设，一种是局部热动平衡（Local Thermodynamical Equilibrium, LTE），另外一种是非局部热动平衡（Non-local Thermodynamical Equilibrium, NLTE）。由于NLTE效应的研究比较复杂，因此目前绝大多数元素丰度的测量工作都基于LTE。但是，在贫金属晚型恒星、巨星等的恒星大气中，由于辐射场很强或粒子数密度比较低，因此更容易偏离局部热动平衡。在这种情况下，精确测量恒星的化学元素丰度需要考虑NLTE效应。尽管我们利用光学波段高分辨率光谱对一些重要元素进行NLTE效应分析方法已比较成熟，但是对于近红外波段谱线的NLTE效应分析工作还需要进一步探索。日本Sabaru望远镜观测了一批高分辨率zJ波段光谱，而APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment) 巡天到目前为止已经观测了超过15万颗主要是红巨星的高分辨率H波段光谱。因此我们结合2.16米望远镜以及国外其它望远镜的光学波段数据对近红外波段谱线研究它们在恒星大气中的NLTE效应。

国家天文台施建荣研究员领导的研究团组（包括国家天文台谈克峰、张君波、河北师范大学李冀教授等人）所开展的该课题将NLTE效应分析工作扩展到近红外波段。主要的问题是该研究团队的原子模型是否适用于近红外波段谱线NLTE丰度分析。为此，该研究团队采用了如下方法：挑选一批同时具有高分辨率近红外波段和光学波段光谱的恒星作为样本，对它们分别进行NLTE丰度分析，如果红外和光学波段得到的丰度结果一致，认为我们的原子模型适用于红外谱线NLTE丰度分析。为了获取高分辨率光学波段光谱，该团队利用兴隆基地的2.16米望远镜观测了一批样本星。研究结果表明，该团队的原子模型适合红外波段谱线的NLTE效应分析。

该研究课题共取得了以下重要成果：

1）zJ波段光谱分析

2012年国家天文台施建荣研究员领导的研究团队对太阳附近的15颗恒星的zJ波段和光学波段Si谱线分别确定了NLTE和LTE丰度，发现考虑了NLTE效应后，zJ波段得到的Si丰度和光学波段得到的Si丰度一致，而且zJ波段的NLTE效应非常大，并且发现强线的NLTE效应与表面重力具有强的相关性，表面重力越小，NLTE越大，如图 1所示。但由于该样本仅包含一颗巨星，因此，此结论有待进一步验证。

图 1 zJ波段部分强Si线的NLTE效应与log g的关系图

为此，2016年谈克锋等人挑选了18颗巨星，采用同样的分析方法，对该波段的Si元素进行了NLTE效应分析，丰富了2012年施建荣等人的巨星样本。发现zJ波段强Si线的NLTE效应很大，而且确实有随着表面重力的减小而增大的趋势，证实了施建荣等人的发现。

2）H波段光谱分析

由于APOGEE的观测目标主要是红巨星，而红巨星的恒星大气中粒子密度相对较低，因此更容易偏离热动平衡状态。2016年张君波等人首次分别对APOGEEH波段光谱中Si和Mg元素进行了NLTE丰度分析。这是世界上第一次对H波段谱线进行NLTE效应分析，因此首先需要验证该研究团队的原子模型是否适用于H波段的谱线分析。为此，该研究团队采用了与zJ波段相同的方法，对同时具有H和光学波段光谱数据的一批样本星进行了详细分析。该团队的研究结果表明考虑了NLTE效应后，H波段得到的Si或Mg元素丰度与光学波段得到的结果一致 (如图 2所示)，表明该团队的Si和Mg原子模型均适用于该波段的NLTE丰度分析。

图 2 H波段和光学波段得到的Si和Mg元素丰度差

同时，该研究团队发现H波段强线的NLTE效应比较大，可以达到0.2dex以上，而且它们的NLTE效应明显随着表面重力的减小有增大的趋势，如图 3所示。 

图 3 H波段部分强Si线的NLTE效应与log g的关系图

目前，该研究团队正在开展对APOGEE光谱中的Na、Al、K、Ca和Fe等重要元素谱线进行相应的NLTE效应研究工作。 

本研究是世界上首次对Si在zJ波段和H波段谱线，以及Mg的H波段谱线进行NLTE丰度分析。该研究团队的研究结果表明，所建立的Si原子模型适用于zJ和H波段谱线分析，Mg原子模型适用于H波段的谱线分析。该研究团队正在开展对更多元素，包括Ca、Na、Al、K、Fe等原子模型的验证工作。这就意味着，该研究团队可以着手对更大规模样本利用近红外波段谱线精确测量恒星元素丰度。考虑NLTE效应后将得到精确的元素丰度，进而更好地利用APOGEE的光谱数据对感兴趣的目标做更详细的分析，从而为研究银河系的形成和演化提供更可靠的丰度数据。目前，APOGGE测量参数和丰度pipeline的团队已参与到该研究团队的研究工作中，共同协作改进APOGEE巡天测量恒星参数和元素丰度精度。

此外，国家天文台杨晓玲博士利用2.16米望远镜获取的高分辨率光谱对疏散星团NGC2632中的成员星进行了详细的丰度分析，得到了一些有趣的结果，相关的文章也已发表。

相关论文列表：

[1] Silicon abundances in nearby stars from the Si I infrared lines. Shi, J.R.; Takada-Hidai, M.; Takeda, Y.; et al. 2012, ApJ, 755, 36.

[2] A non-LTE study of silicon abundances in giant stars from the Si I infrared lines in the zJ-Band. Tan, K.F.; Shi, J.R.,; Takada-Hidai, M.; et al. 2016, ApJ, 823, 36.

[3] NLTE analysis of high resolution H-band spectra. I. neutral silicon. Zhang, J.B.; Shi, J.R.; Pan, K.K.; et al. 2016,ApJ(submitted).

[4] NLTE analysis of high resolution H-band Spectra. II. Neutralmagnesium. Zhang, J.B.; Shi, J.R.; Pan, K.K.; et al. 2016,ApJ (accepted).

[5] Chemical abundances of member stars in the open cluster NGC2632(Praesepe). Yang, X.L.; Chen, Y.Q.; Zhao, G. 2015, AJ, 150, 158.

[6] Planet host stars in open clusters. Yang, X.L.; Chen, Y.Q.; Zhao, G. 2015, SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, 2015, Vol.58(3): 039503.