[論文レビュー] Multitechnique testing of the viscous decretion disk model I. The stable and tenuous disk of the late-type Be star $β$ CMi

Robert Klement, A. C. Carciofi+11 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2015

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 62被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、β CMiという後期型Be星に対して、紫外線から電波にわたる波長域をカバーする包括的なマルチテクニックデータセットを用いて、粘性降着円盤（VDD）モデルの検証を行った。内側の円盤では密度プロファイルが急勾配（n = 3.5）を示す必要があるが、拡張領域ではやや緩やかなプロファイル（n = 3.0）が好まれる。これは、未知の連星同伴星による外側円盤の切断を示唆しており、円盤は35⁺¹⁰₋₅ R☉まで延びており、星の回転速度は臨界速度のW ≳ 0.98に近いことが示された。

ABSTRACT

The viscous decretion disk (VDD) model is able to explain most of the currently observable properties of the circumstellar disks of Be stars. However, more stringent tests, focusing on reproducing multitechnique observations of individual targets via physical modeling, are needed to study the predictions of the VDD model under specific circumstances. In the case of nearby, bright Be star $β$ CMi, these circumstances are a very stable low-density disk and a late-type (B8Ve) central star. The aim is to test the VDD model thoroughly, exploiting the full diagnostic potential of individual types of observations, in particular, to constrain the poorly known structure of the outer disk if possible, and to test truncation effects caused by a possible binary companion using radio observations. We use the Monte Carlo radiative transfer code HDUST to produce model observables, which we compare with a very large set of multitechnique and multiwavelength observations that include ultraviolet and optical spectra, photometry covering the interval between optical and radio wavelengths, optical polarimetry, and optical and near-IR (spectro)interferometry. Due to the absence of large scale variability, data from different epochs can be combined into a single dataset. A parametric VDD model with radial density exponent of $n$ = 3.5, which is the canonical value for isothermal flaring disks, is found to explain observables typically formed in the inner disk, while observables originating in the more extended parts favor a shallower, $n$ = 3.0, density falloff. Modeling of radio observations allowed for the first determination of the physical extent of a Be disk (35$^{+10}_{-5}$ stellar radii), which might be caused by a binary companion. Finally, polarization data allowed for an indirect measurement of the rotation rate of the star, which was found to be $W \gtrsim 0.98$, i.e., very close to critical.

研究の動機と目的

• 単一のBe星について、包括的で多波長にわたるデータセットを用いて、粘性降着円盤（VDD）モデルを厳密に検証すること。
• 特に構造が不明瞭な外側領域において、周囲円盤の径方向密度プロファイルを制約すること。
• 電波観測を用いて、連星同伴星による円盤の切断の可能性を調査すること。
• 偏光データからβ CMiの回転速度を導出し、臨界回転との整合性を検証すること。
• 円盤の物理的スケールを特定し、非等温効果が円盤構造に与える影響を評価すること。

提案手法

• 紫外線〜電波域の観測量を再現するために、HDUSTモンテカルロ放射輸送コードを用いた。
• 径方向密度指数n、粘性係数、円盤の幾何学的形状といったモデルパラメータを、観測されたスペクトルエネルギー分布（SED）、線幅、偏光と一致するように調整した。
• 高分解能分光干渉計測定（AMBER）および全波長帯域干渉計測定（NPOI、VLT/AMBER）により、円盤の傾きとサイズに制約を加えた。
• 電波およびサブミリ波長の測光観測を用いて、外側円盤を調べ、その物理的スケールを推定した。
• パシエンチ領域の偏光測定を分析し、星の回転速度を推定した。
• 弱いHα V/R振動の周期と照らし合わせて、観測された切断半径と理論的予測との比較を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一のべき乗則密度プロファイルを用いたVDDモデルは、β CMiの全多波長データセットを適切に再現できるか？
• RQ2 延長波長観測によって制約される外側領域において、円盤の径方向密度構造は何か？
• RQ3 電波観測はBe円盤の物理的スケールを検出・測定できるか？ そのスケールは連星同伴星による切断を示唆するか？
• RQ4 β CMiの回転速度は何か？ 偏光データが示すように、臨界回転に近いか？
• RQ5 観測された密度プロファイルの変化は、非等温効果によるものか、それとも連星同伴星のような外部の摂動によるものか？

主な発見

• 内側円盤の観測量（偏光、高次のバルマー線など）は、指数n = 3.5の急勾配密度プロファイルを要求する。
• Hα、Brγ、中〜遠赤外域の測光観測に由来する拡張円盤成分は、n = 3.0の緩やかな密度減衰を好む。
• 電波およびサブミリ波長観測から、円盤が物理的半径35⁺¹⁰₋₅ R☉で切断されていると示唆された。
• 観測された電波での切断半径は、Hαの弱いV/R振動周期と一致する連星同伴星の軌道周期に基づく理論的予測と整合的である。
• 偏光データから、星の回転度は臨界速度のW ≳ 0.98に近く、臨界回転に近いことが示された。
• 中心星の極半径は2.8 R☉、光度は185 L☉であり、ほぼ純粋な光球スペクトルから導出された。