[論文レビュー] Radiative hydrodynamics simulations of red supergiant stars. III. Spectro-photocentric variability, photometric variability, and consequences on Gaia measurements

A. Chiavassa, E. Pasquato+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用数 52

ひとこと要約

本研究では、3次元放射移動流体力学シミュレーションを用いて赤超巨星における光心および光度変動を定量的に評価し、対流セルの影響による星の光心の運動が、標準偏差約0.1 AUの位置決めノイズを引き起こすことを示した。このノイズは、ベテルギウーズのような近距離の超巨星に対して特に顕著であり、数パーセントの精度低下を引き起こし、大気条件に応じて数千もの明るい巨星および超巨星のパララックス測定に影響を及ぼす可能性がある。

ABSTRACT

Context. It has been shown that convection in red supergiant stars gives rise to large granules causing surface inhomogeneities together with shock waves in the photosphere. The resulting motion of the photocenter (on time scales ranging from months to years) could possibly have adverse effects on the parallax determination with Gaia. Aims. We explore the impact of the granulation on the photocentric and photometric variability. We quantify these effects in order to better characterize the error possibly altering the parallax. Methods. We use 3D radiative-hydrodynamics simulations of convection with CO5BOLD and the post-processing radiative transfer code OPTIM3D to compute intensity maps and spectra in the Gaia G band [325-1030 nm]. Results. We provide astrometric and photometric predictions from 3D simulations of RSGs that are used to evaluate the degradation of the astrometric parameters of evolved stars derived by Gaia. We show from RHD simulations that a supergiant like Betelgeuse exhibits a photocentric noise characterised by a standard deviation of the order of 0.1 AU. The number of bright giant and supergiant stars whose Gaia parallaxes will be altered by the photocentric noise ranges from a few tens to several thousandths. The degradation of the astrometric fit due to the presence of this photocentric noise will be noticeable up to about 5 kpc for the brightest supergiants. Moreover, parallaxes of supergiants are affected by a error of the order of a few percents. We show that the photocentric noise, as predicted by the 3D simulation, does account for a substantial part of the supplementary 'cosmic noise' that affects Hipparcos measurements of Betelgeuse and Antares.

研究の動機と目的

• 3次元放射移動流体力学シミュレーションを用いて、対流セルに起因する赤超巨星の光心変動を定量すること。
• この変動がガウスの位置測定、特にパララックス精度に与える影響を評価すること。
• 光心ノイズの影響を受ける明るい巨星および超巨星の数を推定すること。
• シミュレーションで得られたノイズが、ベテルギウーズおよびアンタレスのヒッパルコス測定で観測された「宇宙的ノイズ」の一部を説明できるかどうかを評価すること。
• ガウスミッション期間中の主要な超巨星における光心シフトの監視に向けた今後の観測戦略を指針すること。

提案手法

• 12 M⊙の赤超巨星を対象に、CO5BOLDコードを用いた3次元放射移動流体力学（RHD）シミュレーションを実施。解像度は8.6 R⊙（0.040 AU）であった。
• OPTIM3D放射移動コードを用いた後処理により、ガウスGバンド（325–1030 nm）における強度マップおよびスペクトルが生成された。
• 時間経過に伴う光心位置の追跡を実施し、時間的変動を計算。標準偏差を用いて光心ノイズを定量した。
• 時間系列強度マップから光度変動を導出し、ノイズ振幅を形式誤差に対して相対的に評価することで、パララックスの精度低下を推定した。
• ヒッパルコスのスキャン残差と比較することで、観測された「宇宙的ノイズ」との整合性を評価した。
• 大気圧スケール高さ（HP）および銀河的減光の感度を検証し、影響を受ける星の数の不確実性範囲を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元RHDシミュレーションによって予測される、赤超巨星における対流セルに起因する光心ノイズの振幅はどの程度か？
• RQ2 この光心ノイズによって、ガウスのパララックスが著しく低下する明るい巨星および超巨星はどれくらいの数にのぼるか？
• RQ3 シミュレーションで得られた光心ノイズは、ベテルギウーズおよびアンタレスのヒッパルコス測定で観測された「宇宙的ノイズ」のどの程度を説明できるか？
• RQ4 パララックス誤差は、特に近距離の超巨星に対して星までの距離にどのように依存するか？
• RQ5 ガウスのデータ還元パイプラインは、進化した星において真のパララックスと光心ノイズを信頼性高く区別できるか？

主な発見

• ベテルギウーズに類似した赤超巨星における光心ノイズは、3次元RHDシミュレーションにより標準偏差約0.1 AUであると判明した。
• ベテルギウーズに類似した超巨星のガウスパララックスは、系統的誤差が数パーセントに達する可能性があり、距離が2.5 kpc以内の星では形式誤差の最大15倍にまで増大する。
• 影響を受ける明るい巨星および超巨星の数は、対流セルサイズと大気圧スケール高さの関係が不確実であるため、数十から約4,190にわたる。
• シミュレーションで得られた光心ノイズは、ベテルギウーズおよびアンタレスのヒッパルコス測定における「宇宙的ノイズ」の大部分を説明できるが、すべてを説明するわけではない。これは、グレー放射移動近似の限界による可能性が高い。
• 光心ノイズによる位置決めフィットの劣化は、最も明るい超巨星では約5 kpcまでの距離で顕著に現れる。
• ガウスの飽和限界（G ≈ 5.6）に近い超巨星の光心ずれを干渉計測定法でモニタリングすることで、光心シフト関係の重要な制約が得られる可能性がある。理想的な標的は、2 kpcの距離で4 mas程度の視直径を持つものである。