[論文レビュー] Fast ray-tracing algorithm for circumstellar structures (FRACS) I. Algorithm description and parameter-space study for mid-IR interferometry of B[e] stars

G. Niccolini, Philippe Bendjoya+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2010

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 27被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、軸対称な原始星周囲円盤をパラメータ化された発光度関数と対称性を用いてモデル化することで、中赤外干渉計測定の高速レイトレーシング法であるFRACSを提案する。中赤外データは幾何的パラメータ（内半径、位置角、軸傾き）および温度構造（内側温度および勾配）を良好に制約可能であり、密度パラメータは相対的に制約が弱いが、上限値と相関関係を用いて範囲を絞ることができる。

ABSTRACT

The physical interpretation of spectro-interferometric data is strongly model-dependent. On one hand, models involving elaborate radiative transfer solvers are too time consuming in general to perform an automatic fitting procedure and derive astrophysical quantities and their related errors. On the other hand, using simple geometrical models does not give sufficient insights into the physics of the object. We propose to stand in between these two extreme approaches by using a physical but still simple parameterised model for the object under consideration. Based on this philosophy, we developed a numerical tool optimised for mid-infrared (mid-IR) interferometry, the fast ray-tracing algorithm for circumstellar structures (FRACS) which can be used as a stand-alone model, or as an aid for a more advanced physical description or even for elaborating observation strategies. FRACS is based on the ray-tracing technique without scattering, but supplemented with the use of quadtree meshes and the full symmetries of the axisymmetrical problem to significantly decrease the necessary computing time to obtain e.g. monochromatic images and visibilities. We applied FRACS in a theoretical study of the dusty circumstellar environments (CSEs) of B[e] supergiants (sgB[e]) in order to determine which information (physical parameters) can be retrieved from present mid-IR interferometry (flux and visibility). From a set of selected dusty CSE models typical of sgB[e] stars we show that together with the geometrical parameters (position angle, inclination, inner radius), the temperature structure (inner dust temperature and gradient) can be well constrained by the mid-IR data alone. Our results also indicate that the determination of the parameters characterising the CSE density structure is more challenging but, in some cases, upper limits as well as correlations on the parameters characterising the mass loss can be obtained. Good constraints for the sgB[e] central continuum emission (central star and inner gas emissions) can be obtained whenever its contribution to the total mid-IR flux is only as high as a few percents. Ray-tracing parameterised models such as FRACS are thus well adapted to prepare and/or interpret long wavelengths (from mid-IR to radio) observations at present (e.g. VLTI/MIDI) and near-future (e.g. VLTI/MATISSE, ALMA) interferometers.

研究の動機と目的

• 放射線輸送コードが極めて遅いために依存せずに、中赤外干渉計測定データの解釈に計算的に効率的な手法を開発すること。
• 単純な幾何的モデルと複雑な自己無撞着な放射線輸送シミュレーションの間のギャップを、パラメータ化された物理的モデルを用いて埋めること。
• 現在のB[e]星の原始星周囲円盤の物理的パラメータが、中赤外干渉計測定データ（例：VLTI/MIDI）によってどの程度制約可能かを特定すること。
• モンテカルロコードによる詳細モデリングを支援するため、初期モデルフィッティングおよびパラメータ空間探索に適した高速で柔軟なツールを提供すること。
• MATISSE や ALMA のような次世代干渉計測定機器の観測計画およびデータ解釈を支援すること。

提案手法

• FRACSは散乱を含まないレイトレーシングを用い、軸対称性と完全な回転対称性を活用して計算負荷を低減する。
• 空間的領域の解像度を源の構造に基づき適応的に制御するためのクアッドツリーメッシュを採用し、計算効率を向上させる。
• 原始星周囲媒体のパラメータ化された発光度関数から、単色の強度マップおよび可視度曲線を計算する。
• 内半径、温度勾配、密度構造といった物理的パラメータは発光度関数に埋め込まれ、体系的に変化させる。
• 対称性を活用して重複計算を回避し、可視度およびフラックスプロファイルの計算を顕著に高速化する。
• 結果はモンテカルロ放射線輸送シミュレーションおよび人工干渉計測定データとの比較により検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中赤外干渉計測定データのみで、B[e]星の原始星周囲円盤のどの物理的パラメータを信頼性を持って再構成できるか。
• RQ2 可視度およびフラックス測定によって、幾何的および熱的パラメータ（例：内半径、温度勾配）はどの程度正確に制約可能か。
• RQ3 密度構造および質量放出パラメータはどの程度制約可能であり、上限値や相関関係はどのように導出可能か。
• RQ4 可視度応答は特に内側円盤領域の温度構造にどの程度依存するか。
• RQ5 FRACSは、より複雑なモンテカルロ放射線輸送フィッティングのための有効な初期モデルとして機能できるか。

主な発見

• 中赤外干渉計測定データは、B[e]星の円盤の内半径、位置角、軸傾きを15%未満の精度で制約可能である。
• 内側のダスト温度および温度勾配（γ）は、それぞれ20%未満および10%未満の相対誤差で決定可能である。
• 中心源が全中赤外フラックスの数パーセントにしか寄与しない場合でも、その寄与度は30%以内に制約可能である。
• 密度構造パラメータ（n_in, m, A2）は相対的に制約が弱く、一部の状況ではn_inの精度が最良で約50%にとどまる。
• 外側の温度勾配（γ'）は信頼性を持って決定できない。テストされた設定では、真値からの相対差が28%を超える。
• 対称性と適応的クアッドツリーメッシュを活用することで、アルゴリズムは高速な計算（1マップあたり数秒）を実現し、パラメータ空間探索を効率的に行える。