[論文レビュー] Radiative hydrodynamics simulations of red supergiant stars: I. interpretation of interferometric observations

A. Chiavassa, B. Plez+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2009

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 31被引用数 93

ひとこと要約

本研究では、CO 5 BOLDを用いた3次元放射流体力学的シミュレーションを用いて赤超巨星の対流をモデル化し、ベテルギウス（α Ori）の干渉測定観測を解釈する。これらのシミュレーションから得られる粒状構造は、縁減衰円盤モデルよりも観測データと著しくよく一致する可視関数曲線および閉合位相を生成し、星の表面に大規模な対流セルが存在することを確認する。

ABSTRACT

Context. It has been suggested that convection in Red Supergiant (RSG) stars gives rise to large-scale granules causing observable surface inhomogeneities. This convection is also extremely vigorous, and suspected to be one of the causes of mass-loss in RSGs. It must thus be understood in details. Evidence has been accumulated that there are asymmetries in the photospheres of RSGs, but detailedstudies of granulation are still lacking. Interferometric observations offer an exciting possibility to tackle this question, but they are still often interpreted using smooth symmetrical limb-darkened intensity distributions, or very simple spotted ad hoc models. Aims. We explore the impact of the granulation on visibility curves and closure phases using the radiative transfer code OPTIM3D. We simultaneously assess how 3D simulations of convection in RSG with CO5BOLD can be tested against these observations. Methods. We use 3D radiative-hydrodynamics (RHD) simulations of convection to compute intensity maps at various wavelengths and time, from which we derive interferometric visibility amplitudes and phases. We study their behaviour with time, position angle, and wavelength, and compare them to observations of the RSG alpha Ori Results. We provide average limb-darkening coefficients for RSGs. We detail the prospects for the detection and characterization of granulation (contrast, size) on RSGs. We demonstrate that our RHD simulations provide an excellent fit to existing interferometric observation of alpha Ori, contrary to limb darkened disks. This confirms the existence of large convective cells on the surface of Betelgeuse.

研究の動機と目的

• 赤超巨星の表面における粒状構造が干渉測定可視関数曲線および閉合位相に与える影響を調査すること。
• 3次元放射流体力学的シミュレーションが、従来の縁減衰円盤モデルよりもα Ori（ベテルギウス）の観測干渉測定データをよりよく再現できるかどうかを検証すること。
• 現在および将来の干渉測定装置を用いて、粒状構造の特徴（サイズ、対比度、時変スケール）を検出可能かどうかを評価すること。
• 現在のシミュレーションにおける制限要因、特にグレー放射移動と限られた空間分解能の影響が観測可能なシグナルに与える影響を評価すること。
• 赤超巨星における星の対流を特徴付けるために、高空間周波数干渉測定測定を用いるフレームワークを提供すること。

提案手法

• 12 M⊙の赤超巨星を対象に、スターバイボックス設定および開放境界条件を用いたCO 5 BOLDコードを用いて3次元放射流体力学的（RHD）シミュレーションを実施した。
• 時間平均構造に基づいて、L Te における放射移動を含むグレー・ローゼルマン平均吸収率を用い、光度および重力が導出された。
• さまざまな波長および時間的スナップショットにおけるRHDシミュレーションから強度マップを生成し、干渉測定可視関数振幅および閉合位相を計算した。
• 可視関数曲線および閉合位相を、特にVLTIおよびCHARAアレイからの実際のα Ori干渉測定観測と比較した。
• 空間周波数、位置角、波長ごとにシミュレーションを分析し、粒状構造特徴の検出可能性を評価した。
• 非グレー吸収率および高分解能の影響は、以前のグレー・シミュレーションと比較することで評価され、非グレー効果は温度および強度対比度を低下させることを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤超巨星対流の3次元RHDシミュレーションは、縁減衰円盤モデルよりも、α Oriの観測可視関数曲線および閉合位相をよりよく再現できるか？
• RQ2 干渉測定データにおける大規模な粒状構造の検出可能なシグナルは何か？ また、どの空間周波数および波長で最も顕著に現れるか？
• RQ3 時間、位置角、波長に応じた可視関数の変動は、赤超巨星表面の対流セルの性質（サイズ、対比度、時変スケール）をどのように反映するか？
• RQ4 現在のRHDシミュレーションにおける近似（特にグレー放射移動と限られた分解能）が予測される干渉測定オブザーバブルに与える影響はどの程度か？
• RQ5 粒状構造を検出し、特徴づけるために最も効果的な観測戦略（例：複数エポック、複数構成、高分解能スペクトル測定）は何か？

主な発見

• 3次元RHDシミュレーションは、α Oriの観測可視関数振幅および閉合位相を非常に良好に再現し、縁減衰円盤モデルを著しく上回る。
• シミュレーションは、ベテルギウス表面に大規模な対流セルが存在することを確認しており、その特徴的サイズは100–200 R⊙のオーダーであり、観測された角サイズと整合的である。
• 赤超巨星の平均縁減衰係数は、シミュレーションから導出され、干渉測定解釈のための改善された大気モデルを提供した。
• 位置角および時間に応じた可視関数の変動は、現在の干渉測定装置（例：VLTI、CHARA）で検出可能である（測定誤差が10％未満に保たれる場合）、特に2番目、3番目、4番目の可視関数ローブで顕著である。
• 波長関数としての可視関数を1％の誤差で高分解能で観測すれば、スペクトル特徴との相関を検出可能であり、半径、縁減衰、または粒状構造パターンの変化を明らかにできる。
• シミュレーションでグレー放射移動が用いられているため、非グレー・モデルと比較して、より高い温度および強度対比度が得られる。したがって、非グレー効果は可視関数のフラクチュエーションを低減させるため、現在のシミュレーションは粒状構造シグナルの振幅を過大評価している可能性がある。