[論文レビュー] The enigmatic nature of the circumstellar envelope and bow shock surrounding Betelgeuse as revealed by Herschel. I. Evidence of clumps, multiple arcs, and a linear bar-like structure

L. Decin, N. L. J. Cox+14 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 87被引用数 54

ひとこと要約

Herschel宇宙望遠鏡のデータを用いて、この研究では、ベテルギウスの原始星周囲環境とバッシュ・ショックに複雑で非均一な構造が存在することを明らかにした。特に、約6–7′付近に複数の弧状構造と、約9′付近に線形のバー構造が観測され、大規模な不安定性は認められない。流体力学的シミュレーションでは、塊状の質量放出と温かい銀河間物質（ISM）—おそらく銀河磁場の影響を受ける可能性がある—が形状を説明でき、ほこりの温度は40–140 Kの範囲にあり、明るさの変動から約32,000年前に密度に重要な変化があったと推定された。

ABSTRACT

Context. The interaction between stellar winds and the interstellar medium (ISM) can create complex bow shocks. The photometers on board the Herschel Space Observatory are ideally suited to studying the morphologies of these bow shocks. Aims. We aim to study the circumstellar environment and wind-ISM interaction of the nearest red supergiant, Betelgeuse. Methods. Herschel PACS images at 70, 100, and 160 micron and SPIRE images at 250, 350, and 500 micron were obtained by scanning the region around Betelgeuse. These data were complemented with ultraviolet GALEX data, near-infrared WISE data, and radio 21 cm GALFA-HI data. The observational properties of the bow shock structure were deduced from the data and compared with hydrodynamical simulations. Results. The infrared Herschel images of the environment around Betelgeuse are spectacular, showing the occurrence of multiple arcs at 6-7 arcmin from the central target and the presence of a linear bar at 9 arcmin. Remarkably, no large-scale instabilities are seen in the outer arcs and linear bar. The dust temperature in the outer arcs varies between 40 and 140 K, with the linear bar having the same colour temperature as the arcs. The inner envelope shows clear evidence of a non-homogeneous clumpy structure (beyond 15 arcsec), probably related to the giant convection cells of the outer atmosphere. The non-homogeneous distribution of the material even persists until the collision with the ISM. A strong variation in brightness of the inner clumps at a radius of 2 arcmin suggests a drastic change in mean gas and dust density some 32 000 yr ago. Using hydrodynamical simulations, we try to explain the observed morphology of the bow shock around Betelgeuse. Conclusions: [abbreviated]

研究の動機と目的

• 高分解能の遠赤外データを用いて、ベテルギウスの原始星周囲環境およびバッシュ・ショックの形状と物理的構造を調査すること。
• 大規模な不安定性を示さないにもかかわらず観測された複数の弧状構造と線形バー状構造の起源を理解すること。
• 非均一な質量放出と銀河間物質の状態が、観測された形状を説明できるかどうかを特定すること。
• 銀河磁場とISM温度がバッシュ・ショック構造の形成に果たす役割を検証すること。
• 内側のクラスタの明るさの変動から、過去の質量放出の変動を推定すること。

提案手法

• 原始星周囲環境のほこりからの熱放射をマッピングするために、Herschel PACSおよびSPIREが70、100、160、250、350、500 μmで取得した画像を取得した。
• 構造の同一特定と物理的状態の制約のために、GALEX（紫外線）、WISE（近赤外線）、GALFA-HI（電波21cm）観測データと統合した。
• 2次元球対称グリッドに適応メッシュ細分化（最大2,560 × 1,280セル）を用いた流体力学的シミュレーションを実施し、風とISMの相互作用をモデル化した。
• 温度依存のガス-ほこり衝突の接着係数を変化させ、$\alpha_T = 0.1 + 0.35\,e^{-\sqrt{(T_g+T_d)/500}}$を用い、シミュレーションの安定化のため、100,000年以降にのみ放射冷却を導入した。
• 冷たい（100 K）および温かい（8,000 K）周囲ISM、変動する質量放出率、高い星の速度、大きなほこり粒子（100 nm）を用いたシナリオをシミュレートし、形状の結果をテストした。
• 特に線形バーと複数の弧状構造について、シミュレートされたほこりおよびガス密度構造と観測された特徴を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模な不安定性が認められないにもかかわらず、ベテルギウスのバッシュ・ショックに複数の弧状構造と線形バー状構造が観測される原因は何か？
• RQ2 ベテルギウスからの非均一な質量放出は、その原始星周囲環境およびバッシュ・ショックの形状にどのように影響を与えるか？
• RQ3 銀河間物質の温度が風-ISM界面での不安定性の発達にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 銀河磁場やほこり粒子の性質が、観測された強い不安定性の欠如を説明できるか？
• RQ5 約2′付近の内側クラスタの明るさの変動は、過去の質量放出歴にどのような意味を持つのか？

主な発見

• Herschel画像により、ベテルギウスから約6–7′付近に複数の弧状構造と、約9′付近に線形バー構造が確認され、これらの外側構造には大規模な不安定性は認められなかった。
• 外側の弧状構造におけるほこりの温度は40 Kから140 Kの範囲にあり、線形バーの色温度も弧状構造と同一であり、類似した熱的状態を示している。
• 内側の環境は15″を超えて塊状で非均一な構造を示しており、おそらくベテルギウスの外層大気中の巨大対流セルに起因する。
• 約2′付近の内側クラスタにおける明るさの急激な変動は、約32,000年前に平均ガスおよびほこり密度に顕著な変化があったことを示唆している。
• 流体力学的シミュレーションでは、温かい銀河間物質（例：8,000 K）または高い衝撃波温度が強い不安定性を抑制することを示し、観測された乱流の欠如を説明できる。
• 線形バーは星風の特徴ではなく、ベテルギウスに照らされた銀河間物質の構造である可能性が高く、非均一な質量放出プロセスおよび磁場の影響と整合する形状である。