[論文レビュー] V838 Monocerotis as seen by ALMA: a remnant of a binary merger in a triple system

T. Kamiński, R. Tylenda+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 91被引用数 23

ひとこと要約

本研究は、2002年の赤新星爆発から17年後の、V838 Monocerotisの最初の高分解能ALMA観測を報告する。この観測により、合体残骸を取り巻くクラスタ型で赤超巨星に類似した風が明らかになり、約250 auの距離にB型の伴星が直接検出された。データは104 × 45 auの円盤状構造を示し、B星の放射、風、合体噴出物との強い相互作用が確認されており、衝撃駆動型の化学反応やダストのサブリマションが観測された。これらは、極めて高い質量損失と複雑な流体力学を示す三重星系合体起源を裏付けるものである。

ABSTRACT

V838 Mon erupted in 2002 quickly becoming the prototype of a new type of stellar eruptions known today as (luminous) red novae. The red nova outbursts are thought to be caused by stellar mergers. The merger in V838 Mon took place in a triple or higher system involving two B-type stars. We mapped the merger site with ALMA at a resolution of 25 mas in continuum dust emission and in rotational lines of simple molecules, including CO, SiO, SO, SO$_2$, AlOH, and H$_2$S. We use radiative transfer calculations to reproduce the remnant's architecture at the epoch of the ALMA observations. For the first time, we identify the position of the B-type companion relative to the outbursting component of V838 Mon. The stellar remnant is surrounded by a clumpy wind with characteristics similar to winds of red supergiants. The merger product is also associated with an elongated structure, $17.6 imes 7.6$ mas, seen in continuum emission, and which we interpret as a disk seen at a moderate inclination. Maps of continuum and molecular emission show also a complex region of interaction between the B-type star (its gravity, radiation, and wind) and the flow of matter ejected in 2002. The remnant's molecular mass is about 0.1 M$_{\odot}$ and the dust mass is 8.3$\cdot$10$^{-3}$ M$_{\odot}$. The mass of the atomic component remains unconstrained. The most interesting region for understanding the merger of V838 Mon remains unresolved but appears elongated. To study it further in more detail will require even higher angular resolutions. ALMA maps show us an extreme form of interaction between the merger ejecta with a distant (250 au) companion. This interaction is similar to that known from the Antares AB system but at a much higher mass loss rate. The B-type star not only deflects the merger ejecta but also changes its chemical composition with an involvement of circumstellar shocks.

研究の動機と目的

• 2002年の赤新星爆発から約17年後のV838 Monocerotisの合体残骸を特徴づけることで、システムの構造と合体の物理を理解すること。
• 高解像度ALMA観測を用いて、周囲星間環境におけるダストとガスの空間的分布を解明すること。
• B型伴星が放射、重力、風の相互作用を通じて、流れの形態、化学反応、質量損失に果たす役割を特定すること。
• ダストおよび分子質量を含む残骸の物理的・化学的性質を制約し、三重星系における二重星合体モデルを検証すること。
• 合体噴出物の長期的進化と、遠方のB型伴星との相互作用、特に衝撃励起とダストのサブリマションを通じた相互作用を調査すること。

提案手法

• バンド6を用いた高解像度ALMA観測（20 mas解像度、5.9 kpcの距離で148 au）を実施。連続放射のダスト放出およびCO、SiO、SO、SO2、AlOH、H2Sの回転線をカバーした。
• 3次元的構造を再現する放射移動モデリングを実施。ダスト放射、分子線プロファイル、および速度場を統合した。
• CASAを用いて自己自己校正および可視度ベースの画像化処理を実施したが、自己自己校正は効果がなく、元の校正を維持した。
• B星と噴出物の力学的相互作用を、重力と放射圧の下での粒子軌道でモデル化。ダストのサブリマション温度をTd ≈ 1250 K（rd ≈ 13 au）と設定。
• 運動量フラックス平衡を用いて停止半径（rstop）および衝撃半径（rsh）を計算：N₀v₀² = Nwv_w²、rsh ∝ (Ṁw v_w / (N₀ v₀²))¹ᐟ²。
• 放射圧と重力の影響が噴出物の流れに与える効果をシミュレーション。B星の後方に円錐型の空洞と乱流の尾が形成され、流れの速度およびダストのサブリマションに敏感であることが判明。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 B型伴星は合体残骸に対してどの位置にあり、軌道分離距離はどれくらいか？
• RQ2 合体噴出物の3次元的構造は何か？赤超巨星風と比較するとどうなるか？
• RQ3 B星の放射および風は、ゆっくりとしたダストを含む合体噴出物とどのように相互作用するか？
• RQ4 衝撃領域における物理的条件（密度、温度、速度）は何か？それらは分子化学にどのように影響を与えるか？
• RQ5 残骸のダストおよび分子成分の質量はどれくらいか？時間経過とともにどのように変化するか？

主な発見

• V838 MonのB型伴星は、投影上約250 auの距離に位置し、ALMA画像による直接観測で初めて確認された。
• 合体残骸は、分子質量約0.1 M⊙、ダスト質量8.3 × 10⁻³ M⊙を有するクラスタ型で赤超巨星に類似した風に取り囲まれている。
• 連続放射において、17.6 × 7.6 mas（104 × 45 au）の縦長の円盤状構造が検出され、中程度の傾斜角で見られるダストを含む円盤と解釈されている。
• B星の放射と風により、噴出物に円錐型の空洞と乱流の尾が形成され、音速を超える流れと運動量移動によって衝撃波が発生している。
• B星から約13 auの距離でダストのサブリマションが発生し、降着を防ぎ、v₀ = 250 km s⁻¹の場合、r_stop ≈ 2.3 auに希薄で高温の衝撃領域が形成される。
• B星と噴出物の相互作用は、Antares ABよりも極めて激しく、より高い質量損失率と顕著な化学変化（衝撃駆動型）を示している。