[論文レビュー] Aperture synthesis imaging of the carbon AGB star R Sculptoris: Detection of a complex structure and a dominating spot on the stellar disk

M. Wittkowski, K.-H. Hofmann+17 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 65被引用数 19

ひとこと要約

VLTI干渉計測をAMBERおよびPIONIERを用いて実施した結果、この研究では、赤色超巨星R Sculptorisの近赤外波長域における分解能を高めた観測が行われ、西半球に顕著な明るいスポットを持つ複雑で非均一な星面が検出された。データからローゼランド角直径は8.9 ± 0.3 masであり、これは半径355 ± 55 R☉に対応する。また、風を含まない動的大気モデルが観測データに最もよく適合することが示され、星の周囲星間物質エンベロープが現在の風モデルが予測するよりも広がりが小さい可能性を示唆している。

ABSTRACT

We present near-infrared interferometry of the carbon-rich asymptotic giant branch (AGB) star R Sculptoris. The visibility data indicate a broadly circular resolved stellar disk with a complex substructure. The observed AMBER squared visibility values show drops at the positions of CO and CN bands, indicating that these lines form in extended layers above the photosphere. The AMBER visibility values are best fit by a model without a wind. The PIONIER data are consistent with the same model. We obtain a Rosseland angular diameter of 8.9+-0.3 mas, corresponding to a Rosseland radius of 355+-55 Rsun, an effective temperature of 2640+-80 K, and a luminosity of log L/Lsun=3.74+-0.18. These parameters match evolutionary tracks of initial mass 1.5+-0.5 Msun and current mass 1.3+-0.7 Msun. The reconstructed PIONIER images exhibit a complex structure within the stellar disk including a dominant bright spot located at the western part of the stellar disk. The spot has an H-band peak intensity of 40% to 60% above the average intensity of the limb-darkening-corrected stellar disk. The contrast between the minimum and maximum intensity on the stellar disk is about 1:2.5. Our observations are broadly consistent with predictions by dynamic atmosphere and wind models, although models with wind appear to have a circumstellar envelope that is too extended compared to our observations. The detected complex structure within the stellar disk is most likely caused by giant convection cells, resulting in large-scale shock fronts, and their effects on clumpy molecule and dust formation seen against the photosphere at distances of 2-3 stellar radii.

研究の動機と目的

• 赤色超巨星R Sculptorisの光球面およびその直近の周囲環境を高分解能で撮像すること。
• 対流セルやダストクラスターなどの大気不均一構造が星面に存在するかを調査すること。
• 高分解能干渉計測データと照らし合わせて、動的大気および風モデルの妥当性を検証し、星の構造と質量損失を予測する精度を評価すること。
• 星の基本パラメータ（半径、温度、光度）を決定し、進化モデルと比較すること。
• 観測された強度対比、特に西半球に顕著な明るいスポットの原因を対流およびダスト形成プロセスと関連付けること。

提案手法

• 2012年に、非常に大型望遠鏡干渉計測装置（VLTI）でAMBERを用いて中分解能のKバンド干渉計測を実施した。
• 2014年および2015年に、VLTIでPIONIERを用いて低分解能のHバンド干渉計測画像を実施し、画像再構成に十分なuv平面カバレッジを確保した。
• 星面および周囲星間物質エンベロープの空間的構造を推定するために、二乗 visibilities および閉合位相を測定した。
• 炭素豊富なAGB星の1次元動的大気および風モデルのグリッドと、可視度および閉合位相データを比較した。
• 可視度データから導かれたローゼランド角直径を用いて、全波長放射フラックスおよび距離推定値を基に星の半径、効果的温度、光度を計算した。
• PIONIERデータを用いて、端縁暗黒補正を施した高信頼性の星面画像を再構成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 炭素豊富なAGB星R Sculptorisの光球面の真の形状は何か？また、非球形的または不均一な構造を示しているか？
• RQ2 現在の炭素豊富なAGB星の動的大気および風モデルは、特に周囲星間物質エンベロープの広がりに関して、観測された干渉計測データをどの程度再現できるか？
• RQ3 星面に観測された強度対比、特に西半球に顕著な明るいスポットの原因は何か？
• RQ4 R Sculptorisの導出された基本パラメータ（半径、温度、光度）は、星の進化モデルの予測とどの程度一致するか？
• RQ5 星面に観測された微細構造は、3次元放射流体力学的シミュレーションによる対流およびダスト形成の予測と整合性があるか？

主な発見

• R Sculptorisのローゼランド角直径は8.9 ± 0.3 masであり、これはローゼランド半径355 ± 55 R☉に対応する。
• 効果的温度は2640 ± 80 Kと決定され、光度はlog(L/L☉) = 3.74 ± 0.18である。
• 干渉計測データに最もよく適合するモデルは、風を含まない動的大気モデルであり、R Sculptorisが周囲星間物質エンベロープを持つことは知られているが、その事実を反映していない。
• PIONIERによる再構成画像から、西半球に顕著な明るいスポットが確認され、ピーク強度は端縁暗黒補正後の平均強度よりも45–60%高い。
• 星面における最小強度と最大強度の対比は約1:2.5であり、強い局所的不均一性を示している。
• モデル比較から、現在の風モデルは周囲星間物質エンベロープの広がりを過大評価している可能性が示され、実際の質量損失率は従来の推定よりも低いか、モデルに追加の物理的要因が必要である可能性を示唆している。