[論文レビュー] Cepheid distances from the SpectroPhoto-Interferometry of Pulsating Stars (SPIPS) - Application to the prototypes delta Cep and eta Aql

A. Mérand, P. Kervella+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 60被引用数 26

ひとこと要約

本論文は、パルサーション・パララックス法を用いてCepheid距離を決定する物理的に整合性のあるモデルベースの手法SPIPSを提案する。径速度、干渉測定による視直径、光度測定を統合し、大気モデルを用いて同時に全観測量をフィットすることで、高い精度と低い系制度を得る。赤外域光度測定および干渉測定における赤いずれと周囲星間物質包層の自己一貫した取り扱い、完全な不確実性伝搬を実現し、δ Cep（p = 1.28 ± 0.06）およびη Aql（d = 296 ± 5 pc）のp因子および距離推定値を提供する。

ABSTRACT

The parallax of pulsation, and its implementations such as the Baade-Wesselink method and the infrared surface bright- ness technique, is an elegant method to determine distances of pulsating stars in a quasi-geometrical way. However, these classical implementations in general only use a subset of the available observational data. Freedman & Madore (2010) suggested a more physical approach in the implementation of the parallax of pulsation in order to treat all available data. We present a global and model-based parallax-of-pulsation method that enables including any type of observational data in a consistent model fit, the SpectroPhoto-Interferometric modeling of Pulsating Stars (SPIPS). We implemented a simple model consisting of a pulsating sphere with a varying effective temperature and a combina- tion of atmospheric model grids to globally fit radial velocities, spectroscopic data, and interferometric angular diameters. We also parametrized (and adjusted) the reddening and the contribution of the circumstellar envelopes in the near-infrared photometric and interferometric measurements. We show the successful application of the method to two stars: delta Cep and eta Aql. The agreement of all data fitted by a single model confirms the validity of the method. Derived parameters are compatible with publish values, but with a higher level of confidence. The SPIPS algorithm combines all the available observables (radial velocimetry, interferometry, and photometry) to estimate the physical parameters of the star (ratio distance/ p-factor, Teff, presence of infrared excess, color excess, etc). The statistical precision is improved (compared to other methods) thanks to the large number of data taken into account, the accuracy is improved by using consistent physical modeling and the reliability of the derived parameters is strengthened thanks to the redundancy in the data.

研究の動機と目的

• Cepheid距離決定のため、径速度、干渉測定による視直径、光度測定という全観測量を統合する物理的に整合性のあるグローバルモデリング手法を開発すること。
• 従来のBaade-Wesselink法における系統的誤差を克服するため、表面輝度関係などの恣意的補正を、大気モデルからの合成光度測定に置き換えること。
• 近赤外光度測定および干渉測定において、赤いずれと周囲星間物質包層（CSE）の寄与を外部の赤いずれ法に依存せずに、自己一貫した方法でフィットすること。
• 全パラメータを同時にフィットすることで、データの相関関係と重複を考慮し、統計的不確実性の推定を改善すること。
• 観測データが希薄または不均等にサンプリングされていても、多エポック観測の位相を高精度に決定し、パルセーションおよび周期の変化をよりよく制約できること。

提案手法

• SPIPSは、時間変化する有効温度を持つパルセーションする球体としてCepheidをモデル化し、ATLAS9大気モデルを用いて合成光度測定および可視度プロファイルを計算する。
• この手法は、CHARAアレイからの干渉測定可視度曲線、観測された径速度、多バンド光度測定を、一つの物理的枠組み内で同時にフィットする。
• 射影因子（p）を自由パラメータとして取り入れるが、経験的補正ではなく、スペクトル合成モデリングにより一貫してパルセーション速度を導出する。
• 周囲星間物質包層（CSE）は、近赤外バンドにおける追加の光度成分としてモデル化され、フィット中にその寄与を調整する。
• 赤いずれ（E(B-V)）は一貫性のある赤いずれ法に従い、外部推定値に依存せずにデータから直接フィットする。
• アルゴリズムは、距離、p因子、有効温度、CSE寄与、色過剰を同時に最適化するためのグローバルχ²最小化を用い、完全な誤差伝搬を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 径速度、干渉測定による視直径、光度測定を同時にフィットできる統一的で物理的に根拠のあるモデルは、Cepheid距離の精度を向上させることができるか？
• RQ2 大気モデルからの合成光度測定を組み込むことで、経験的線形近似と比較して表面輝度関係の精度がどの程度向上するか？
• RQ3 周囲星間物質包層と赤いずれが従来のBaade-Wesselink法の結果にどの程度バイアスを及ぼすか、そしてそれらを自己一貫した方法でモデル化できるか？
• RQ4 全観測量を同時にフィットすることで、部分的な順次フィットに比べ、統計的不確実性が低減され、誤差推定が改善されるか？
• RQ5 本手法は、δ Cepやη Aqlといった代表的なCepheidに対して、高い信頼性でp因子および距離を正確に特定できるか？

主な発見

• SPIPSは、δ Cepおよびη Aqlの両者に対して1000件を超える観測を一つの一貫した物理的モデルでフィットし、手法の堅牢性を確認した。
• δ Cepのp因子は1.28 ± 0.06として決定され、過去の推定値と整合的だが、不確実性の取り扱いが改善された。
• η Aqlについては、p = 1.30を仮定した場合、距離は296 ± 5 pcとして導出され、フィットから得られるd/pは228 ± 4 pcであった。
• 経験的補正の代わりに物理的にモデル化された観測量を用いることで、特に光度測定および可視度プロファイルにおいて系統的誤差が低減された。
• 赤いずれはデータから直接フィットされ、外部の赤いずれ法に依存しないためバイアスが回避され、CSE寄与は近赤外バンドで一貫してモデル化された。
• 同時フィットアプローチにより、順次手法に比べてより信頼性の高い統計的不確実性が得られ、誤差を最大で3倍も低く見積もる傾向がある従来手法と比較して改善された。