[論文レビュー] Envelope tomography of long-period variable stars: I. The Schwarzschild mechanism and the Balmer emission lines

R. Álvarez, A. Jorissen+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2000

Spectroscopy and Laser Applications参考文献 4被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、高時間分解能分光法と新規のトモグラフィー技術を用いて、長周期変光星RT CygおよびX Ophの大気における速度場をマッピングした。RT Cygに見られる二重吸収線は、シュバルツシルト機構が予測するように、脈動によって駆動される衝撃波に起因することが確認された。一方、バルマー発光線は、形成領域の単純な一致とは整合しない複雑な速度構造を示した。

ABSTRACT

This paper is the first one in a series devoted to the study of the dynamics of the atmospheres of long-period variable stars. Results from a two-month-long monitoring of the Mira variables RT Cyg and X Oph around maximum light with the ELODIE spectrograph at the Haute-Provence Observatory are presented. The monitoring covers phases 0.80 to 1.16 for RT Cyg and phases 0.83 to 1.04 for X Oph. The cross-correlation profile of the spectrum of RT Cyg with a K0 III mask confirms that the absorption lines of RT Cyg in the optical domain appear double around maximum light. No line doubling was found in the optical spectrum of X Oph around maximum light, indicating that this feature is not common to all long-period variables. This paper also presents the application to RT Cyg of a new tomographic technique deriving the velocity field across the atmosphere by cross-correlating the optical spectrum with numerical masks constructed from synthetic spectra and probing layers of increasing depths. This technique reveals that both the temporal evolution of the line doubling, and its variation with depth in the atmosphere of RT Cyg, are consistent with the ``Schwarzschild scenario''. This scenario relates the temporal evolution of the red and blue peaks of the double absorption lines to the progression of a shock wave in the atmosphere. The temporal evolution of the Balmer Halpha, H beta, Hgamma and Hdelta emission lines around maximum light is also presented for RT Cyg and X Oph. The velocity variations of Halpha and of the absorption lines are discussed in the framework of two competing models for the formation of Balmer emission lines in long-period variable stars.

研究の動機と目的

• 長周期変光星（LPV）における二重吸収線およびバルマー発光線の力学的起源を調査すること。
• 観測された複雑な線幅が、衝撃波か非局所熱平衡（non-LTE）放射過程のどちらに起因するかを特定すること。
• シュバルツシルト機構（衝撃波に起因する速度勾配が二重ピーク吸収線を生じる）の妥当性を、直接的な観測的証拠を用いて検証すること。
• 新しいトモグラフィー技術を開発・適用し、星の大気における三次元的速度構造を再構築すること。
• バルマー発光線（Hα、Hβ、Hγ、Hδ）の時間的変化を吸収線と比較し、形成メカニズムを制約すること。

提案手法

• RT CygおよびX Ophの脈動周期の20–35%に相当する期間、ハイエール＝プロヴァンス天文台のELODIE分光計を用いた毎日の高分解能分光観測。
• モデル大気から導出された合成マスクと観測スペクトルを相関させ、異なる大気深さにおける速度場を調査。
• 位相分解された相関プロファイルを用いて、星盤面全体の速度場をトモグラフィー的に再構築。
• バルマー線プロファイルのモデリングを、二つの競合するシナリオ（a）衝撃波面からの幾何的二重発光、（b）広帯域発光プロファイル内での自己反転吸収）を用いて実施。
• シュバルツシルト衝撃波モデルおよび温度逆転モデルの予測と観測線プロファイルを比較。
• 位相ロックされた観測を用いて、衝撃波の伝播を追跡し、その運動とスペクトル線の変化を相関させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミラ星における二重吸収線は、シュバルツシルト機構が予測するように、衝撃波に起因する速度勾配によって生じるのか？
• RQ2 RT Cygにおける線の二重化の時間的変化は、衝撃波の外向き伝播と整合的か？
• RQ3 LPVにおけるバルマー発光線は、吸収線と同じ衝撃加熱領域で形成されるのか、それとも独立した非局所熱平衡プロセスによって形成されるのか？
• RQ4 Hαと吸収線の速度の観測された乖離は、広範な線形成領域での平均化によって説明可能か？
• RQ5 なぜRT Cygではシュバルツシルト状況が観測されるのに対し、X Ophではそうではないのか？これはLPVの大気力学に何を示唆するか？

主な発見

• RT Cygにおける二重吸収線は、外向きに伝播する衝撃波に起因することが確認され、線の二重化がシュバルツシルト機構が予測する時間的変化と一致した。
• トモグラフィー技術により、RT Cygの大気において衝撃波の外向き運動が明確に可視化され、深さに依存する速度構造が明らかになった。
• X Ophでは線の二重化が観測されなかったため、シュバルツシルト状況がミラ変星に普遍的であるとは限らず、星のパラメータまたは脈動パラメータに依存する可能性があることが示された。
• RT Cygにおけるバルマー線Hα、Hβ、Hγ、Hδの発光線は、脈動周期の35%にわたる期間にわたり複雑な速度プロファイルを示し、Hαは単一の速度層とは整合しない二重ピーク構造を示した。
• Hαと吸収線の観測速度には顕著な差が認められ、Hαは吸収線よりも広い領域で形成されている可能性があり、速度の乖離は平均化効果によって説明可能であると考えられた。
• 観測データは、バルマー発光の非局所熱平衡モデルよりも衝撃波モデルを支持しており、速度構造が放射過程のみでは説明できない衝撃駆動ダイナミクスとよりよく一致した。