[論文レビュー] The polarization of the binary system Spica, and the reflection of light from stars

Jeremy Bailey, Daniel V. Cotton+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 37被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、連星系スピカにおける位相依存性を持つ線形偏光が、主に2つのB型星間の反射光によるものであり、周囲星間物質によるものではないことを示している。高精度な偏光測定と、星の大気からの偏光反射を組み込んだ新規な放射線輸送モデルを用いて、著者らは弱い反射でも高い偏光度を持つ光を生成することを示した。これにより、調整可能な振幅パラメータを一切用いずに、正確な軌道傾きおよび節線の位置角を特定できるようになった。

ABSTRACT

Close binary systems often show linear polarization varying over the binary period, usually attributed to light scattered from electrons in circumstellar clouds. One of the brightest close binary systems is Spica (Alpha Virginis) consisting of two B type stars orbiting with a period of just over 4 days. Past observations of Spica have shown low polarization with no evidence for variability. Here we report new high-precision polarization observations of Spica that show variation with an amplitude ~200 parts-per-million (ppm). Using a new modelling approach we show that the phase-dependent polarization is primarily due to reflected light from the primary off the secondary and vice versa. The stars reflect only a few per-cent of the incident light, but the reflected light is very highly polarized. The polarization results show that the binary orbit is clockwise and the position angle of the line of nodes is 130.4 +/- 6.8 degrees in agreement with Intensity Interferometer results. We suggest that reflected light polarization may be much more important in binary systems than has previously been recognized and may be a way of detecting previously unrecognized close binaries.

研究の動機と目的

• 以前の低精度観測では変動が認められなかった明るい連星系スピカにおける、未解明の位相依存性を持つ線形偏光を説明すること。
• 周囲星間散乱ではなく、星間の反射光が、近接連星系における観測された偏光を説明できるかどうかを調査すること。
• 非円形軌道にある潮汐歪みを受ける反射星に対する偏光放射線輸送を計算する新しいモデリングフレームワークを構築・適用すること。
• 文献に依存する星および軌道パラメータのみを用いて、調整可能な振幅パラメータを一切用いずに、観測された偏光振幅および位相曲線を再現できるかどうかをテストすること。
• 反射光による偏光が、未発見の近接連星系を検出するための手法としての可能性を評価すること。

提案手法

• 3.3年間にわたり、3台の望遠鏡と3種類のフェロエレクトリック液体結晶（FLC）偏光計（HIPPI, Mini-HIPPI, HIPPI-2）を用いて、スピカの高精度な線形偏光測定を実施した。測定は中心波長約450 nmのバンドパス応答を有する。
• 非円形軌道および非同期回転を考慮した拡張版のWilson-Devinneyコードを用いて、系をモデル化した。潮汐歪みと重力暗黒化は、von Zeipelの法則を用いて取り入れた。
• ATLAS9星の大気モデルと、SYNSPEC/VLIDORTを組み合わせて、偏光放射線輸送を計算した。電子散乱、レイリー散乱（H, He, H2）および90度入射角での反射を含めた。
• 星の表面にピクセル化されたグリッド（0.0025 × 半長軸）を用い、各点における局所的強度および偏光を計算した。事前に計算されたモデルグリッドからの補間を実施した。
• 全可視ピクセルについて統合し、全 Stokes パラメータ（Q/I, U/I）を軌道位相の関数として計算した。振幅に関する自由パラメータは一切使用しなかった。
• 観測データにモデルをフィットさせるために、位置角の回転およびQ/IおよびU/Iの偏光オフセットの3つのパラメータを用いたが、物理的入力は文献値を固定したままとした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピカにおける観測された位相依存性の偏光は、2つの星間の反射光によって説明可能であり、周囲星間散乱とは異なるのか？
• RQ2 B型星の大気からの反射光における偏光度と波長依存性はどの程度か？
• RQ3 星の潮汐歪みが、反射光に起因する偏光に比べて、観測された偏光にどの程度寄与しているか？
• RQ4 光度測定や分光測定に依存せずに、偏光データのみから軌道傾きおよび節線の位置角を正確に特定できるか？
• RQ5 離心率、軌道傾き、近日点引張角などの軌道パラメータの不確実性が、偏光結果にどの程度影響を及ぼすか？

主な発見

• 文献に依存する星および軌道パラメータのみを用いたモデルは、スピカにおける観測された偏光振幅（約200 ppm）を良好に再現しており、調整可能な振幅パラメータは一切不要であった。
• 偏光は主に主星から副星（およびその逆）に反射された光に起因しており、高温星ではわずか数パーセントの反射率でも、非常に高い偏光度を示す。
• モデルは軌道傾きが約130.4° ± 6.8°であることを確認しており、強度干渉計測定結果と整合的である。また、地球から見ると軌道は時計回りであると示唆している。
• 潮汐歪みはわずかでほぼ一定の偏光を寄与するが、主な位相依存性信号は、反射光の幾何的配置の変化に起因している。
• 反射光の偏光の波長依存性は青色領域（約390 nm付近）でピークを示し、短波長側に減少する。これにより、450 nmが代表的有効波長としての妥当性が裏付けられた。
• 離心率や近日点引張角などの軌道パラメータの不確実性は、モデルの適合度にほとんど影響を及ぼさず、結論の堅牢性が確認された。