[論文レビュー] Chromospheres and Winds of Red Supergiants: An Empirical Look at Outer Atmospheric Structure

Philip D. Bennett|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、日食連星系におけるハッブル宇宙望遠鏡（HST）の高分解能紫外線観測を用いて、赤超巨星（RSGs）のコアスフェアおよび風の経験的モデルを提示し、未知のメカニズムによって駆動される遅く質量の大きな風が存在することを明らかにした。線幅二重化（line doubling）がコアスフェア線の主要な診断指標であることが同定され、VV Cepでは14.5 km/sの成分分離と1.5 × 10⁻⁶ M⊙ yr⁻¹の質量損失率が観測され、定常状態の仮定を超えた複雑で非一様な風構造が示唆された。

ABSTRACT

Stars between about 4 and 25 solar masses spend a significant fraction of their post-main sequence lifetime as red supergiants (RSGs) and lose material via stellar winds during this period. For RSGs more massive than 10 solar masses, this mass loss becomes of evolutionary significance, and probably determines the upper mass limit of RSGs in the Hertzsprung-Russell diagram. Despite decades of observations, the driving mechanism responsible for mass loss in RSGs remains unknown. Mainly this is because the optical spectrum accessible from the ground provides almost no useful wind diagnostics, and what information is obtained is spatially averaged over the entire wind volume. However, within the last decade, Hubble Space Telescope (HST) observations of many useful ultraviolet wind diagnostics have been obtained at a high signal-to-noise ratio and spectral resolution. In particular, RSGs in eclipsing binaries can provide spatially resolved observations of stellar chromospheres and winds. I review possible RSG wind acceleration mechanisms, discuss some observational constraints, and present some empirical models of RSG chromospheres and winds.

研究の動機と目的

• 空間的に分解されたハッブル宇宙望遠鏡（HST）紫外線観測を用いて、赤超巨星（RSGs）の外層大気構造を経験的に制約すること。
• 数十年にわたる研究にもかかわらず未解明のままの、RSGにおける質量損失を駆動する物理的メカニズムを解明すること。
• RSGにおけるコアスフェア線の線幅二重化を、速度構造および風の複雑さの診断として分析すること。
• 連星および単星の風データを統合して、KおよびM型超巨星の完全な風速度則を構築すること。
• 日食系からの高スペクトル分解能紫外線診断を統合することで、RSGコアスフェアおよび風の経験的モデルを改善すること。

提案手法

• RSGが日食連星系に含まれる高信噪比・高分解能のハッブル宇宙望遠鏡（HST）紫外線スペクトルを用い、コアスフェアおよび風の放射を分離した。
• 強力な原子線（例：Mg ii h&k、H i ライマン-α、Fe ii）を対象に、接線方向の密度分布解析を実施し、コアスフェア密度構造をモデル化した。
• 連星系の日食幾何学的特徴（例：VV Cep、ζ Aur）を活用し、日食中に観測される変化をもとに、風およびコアスフェア成分を空間的に分解した。
• 連星系からの結果（軌道的分離により約3R*まで制限）と単星の線幅プロファイル解析（2–3R*以上にまで有効）を統合し、全風速度則を再構築した。
• 時間的変動性（例：λ Vel、VV Cep）を評価することで、非定常状態の風行動を分析した。
• ライン幅二重化を、系統的径運動速度からの成分分離および速度シフトを測定することで定量化し、低エネルギー準位励起ポテンシャルと相関をとらせた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 放射圧および磁気的メカニズムが不十分であるにもかかわらず、赤超巨星で観測される遅く質量の大きな風を駆動するのは何であるか？
• RQ2 RSGにおけるコアスフェア線プロファイルは、複雑な速度構造をどのように示し、ライン幅二重化は風のダイナミクスに何を示唆するか？
• RQ3 日食連星系は、光球面を超えたRSGコアスフェアおよび風の空間的分解診断を可能にするか？
• RQ4 KおよびM型超巨星の完全な風速度則は何か？また、連星および単星の観測はどのように補完し合うか？
• RQ5 RSGの風はどの程度定常的であり、線幅プロファイルの時間的変動は、定常状態風モデルの仮定にどの程度挑戦するか？

主な発見

• VV Cepheiの風は、紫外線線の接線方向密度分布解析から、質量損失率1.5 × 10⁻⁶ M⊙ yr⁻¹および終端速度20 km s⁻¹であると導出された。
• VV Cepのコアスフェア線は、平均で14.5 ± 2.2 km s⁻¹の成分分離を示す線幅二重化を示し、複雑で非一様な速度構造を示している。
• 線幅二重化プロファイルの青成分は、低励起線で支配的であるが、励起ポテンシャルが上昇するにつれて赤成分が強化され、1 eV以上でピークに達する。
• 時間的変動性（例：1990年から1994年のλ Vel）は、RSGの風が定常的でないことを示し、モデルにおける一定の質量損失の仮定に挑戦する。
• 連星法により風構造は軌道的制限により約3R*まで分解可能であり、単星の線幅プロファイル解析は約2–3R*まで延長可能であるため、両者を統合することで風速度則の再構築が可能になった。
• 線幅二重化はRSGコアスフェアで広く観測される現象であり、現在の滑らかで定常的な風を仮定するモデルは不完全であり、見直しが必要であることを示唆している。