[論文レビュー] The close circumstellar environment of Betelgeuse. IV. VLTI/PIONIER interferometric monitoring of the photosphere

M. Montargès, P. Kervella+10 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Feb 16, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 24

ひとこと要約

本研究では、2012年から2014年の間にVLTI/PIONIER干渉計を用いてベテルギウスの光球をモニタリングし、約1つの恒星半径の大きさの、持続的で大きなスポットが存在することを明らかにした。このスポットの非対称な明るさ分布は、対流パターンを歪め、現在の3次元放射移動流体力学的シミュレーションでは再現できない。これは赤超巨星における質量放出の引き金を果たす可能性があることを示唆している。

ABSTRACT

Context. The mass-loss mechanism of cool massive evolved stars is poorly understood. The proximity of Betelgeuse makes it an appealing target to study its atmosphere, map the shape of its envelope, and follow the structure of its wind from the photosphere out to the interstellar medium. Aims. A link is suspected between the powerful convective motions in Betelgeuse and its mass loss. We aim to constrain the spatial structure and temporal evolution of the convective pattern on the photosphere and to search for evidence of this link. Methods. We report new interferometric observations in the infrared H band using the VLTI/PIONIER instrument. We monitored the photosphere of Betelgeuse between 2012 January and 2014 November to look for evolutions that may trigger the outflow. Results. Our interferometric observations at low spatial frequencies are compatible with the presence of a hot spot on the photosphere that has a characteristic width of one stellar radius. It appears to be superposed on the smaller scale convective pattern. In the higher spatial frequency domain, we observe a significant difference between the observations and the predictions of 3D hydrodynamical simulations. Conclusions. We bring new evidence for the presence of a convective pattern in the photosphere of red supergiants. The inferred hot spot is probably the top of a giant convection cell although an asymmetric extension of the star cannot be excluded by these interferometric observations alone. The properties of the observed surface features show a stronger contrast and inhomogeneity as predicted by 3D radiative hydrodynamical simulations. We propose that the large observed feature is modifying the signature of the convective pattern at the surface of the star in a way that simulations cannot reproduce.

研究の動機と目的

• ベテルギウスの光球における対流パターンの空間的構造と時間的変化を調査すること。
• 大規模な表面特徴が星の質量放出メカニズムと関連しているかどうかを特定すること。
• 高分解能干渉計観測と照らし合わせて、3次元放射移動流体力学的（RHD）シミュレーションの予測を検証すること。
• 光球の不均一性が星の干渉計的特徴に与える影響を評価すること。
• 非対称な明るさの特徴が赤超巨星における発現的質量放出を駆動できるかどうかを検討すること。

提案手法

• 2012年1月から2014年11月にかけて、赤外HバンドでVLTI/PIONIER装置を用いた複数エポックの干渉計観測を実施した。
• 高分解能での光球明るさ分布の再構成のために、可視度およびクロージャー位相データを分析した。
• 干渉計観測量を説明するため、縁減衰円盤（LDD）モデルにガウス型スポットを組み合わせたモデルにフィットした。
• 赤超巨星の大気に関する3次元放射移動流体力学的シミュレーションの予測と観測データを比較した。
• TBL/Narvalからの分光偏光データを用いて、明るさの不均一性の位置と変化を制約した。
• 偏光信号の解釈における180°の位置的あいまいさを考慮し、複数のスポット配置をテストした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ベテルギウスの光球における表面不均一性の空間的構造と時間的変化は何か？
• RQ2 大規模な明るさの特徴は、対流パターンと比較して星の干渉計的特徴にどのように影響を与えるか？
• RQ3 現在の3次元RHDシミュレーションは、観測された干渉計データをどの程度再現できるか？
• RQ4 観測されたスポットは、赤超巨星における質量放出の始動と関連していると見なせるか？
• RQ5 光球の明るさの非対称性は、1つの大きな対流セルか、大気の延長によるものと一致するか？

主な発見

• 干渉計データから、約1つの恒星半径の大きさの、持続的で大きなスポットが、より小さなスケールの対流パターンの上に存在することが判明した。
• スポットは、光球上に非対称に位置するガウス型特徴として最もよくモデル化され、星の円盤を越えて明るさが延長されており、観測された可視度およびクロージャー位相データと一致した。
• 観測された表面構造は、3次元放射移動流体力学的シミュレーションの予測よりも明確なコントラストと不均一性を示した。
• 高空間周波数領域において、観測データと3次元RHDシミュレーションとの間に顕著な乖離が認められ、現在のモデルに欠落している物理的要因があることを示唆した。
• スポットの位置は時間とともに変化しており、2014年10月には2つのスポットの合体が観測された可能性があり、分光偏光データと整合的であった。
• この大規模な特徴の存在は、発現的質量放出の主要因である可能性があり、過去の研究で観測されたクラスタ型の周囲環境を説明する手がかりを提供している。