[論文レビュー] Water vapour masers in long-period variable stars II. The semi-regular variables R Crt and RT Vir

J. Brand, D. Engels+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 45被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、20年以上にわたる単一電波望遠鏡によるモニタリングおよびアーカイブのVLBIデータを用いて、半定期変光星R Coronae Australis（R Crt）およびR Sculptoris（RT Vir）における22 GHz水メーサーの長期的・短期的変動を調査した。長期的な明るさの変動（数十年スケール）は、複数の短期間のメーサー雲を宿す密度が高く不均一な周囲星間環境に起因することが明らかになった。一方、RT Virに見られる安定した11 km s−1の特徴は、外層殻における終端風速度での運動を示しており、数十年にわたる寿命を持つ局所的な高密度構造である可能性を示唆している。

ABSTRACT

Within the 'Medicina/Effelsberg H2O maser monitoring program' we have observed the maser emission of R Crt and RT Vir for more than two decades. To get insight in the distribution and longevity of maser spots in the circumstellar envelopes, we have collected interferometric data, taken in the same period, from the literature. We confirm short-time variations of individual maser features on timescales of months to up to 1.5 years. Also decade-long variations of the general brightness level independent from individual features were seen in both stars. These are due to brightness variations occurring independently from each other in selected velocity ranges, and are independent of the optical lightcurves. Expected drifts in velocity of individual features are usually masked by blending. However, in RT Vir we found an exceptional case of a feature with a constant velocity over 7.5 years (<0.06 km/s/yr). We attribute the long-term brightness variations to the presence of regions with higher-than-average density in the stellar wind, which host several clouds which emit maser radiation on the short time scales. These regions typically need ~20 years to cross the H2O maser shell, where the right conditions to excite H2O masers are present. The constant velocity feature (11 km/s) is likely to come from a single maser cloud, which moved through about half of RT Vir's H2O maser shell without changing velocity. From this we infer that its path was located in the outer part of the H2O maser shell, where RT Vir's stellar wind apparently has already reached its terminal outflow velocity. This conclusion is corroborated by the observation that the highest H2O maser outflow velocity in RT Vir approaches the terminal outflow velocity as given by OH and CO observations. This is generally not observed in other semi-regular variable stars.

研究の動機と目的

• 発達した星の周囲星間環境におけるH2Oメーサー放射の起源と進化を理解すること。
• 半定期変光星（SRb型）におけるメーサー放射の明るさ変動のスケールと起源を調査すること。
• 単一電波望遠鏡によるスペクトル変動とVLBIデータを用いたメーサー斑点の空間的分布を結びつけること。
• メーサー変動が中心星の光学的光曲線と相関しているかどうか、または内部風の不均一性によって駆動されているかどうかを特定すること。
• 星風の構造と密度の増強が、メーサー放射パターンをどのように形作っているかを評価すること。

提案手法

• 20年以上にわたる、メディチナおよびエフェルスブルク電波望遠鏡を用いた22 GHz H2Oメーサー放射の長期的単一電波望遠鏡モニタリング。
• 文献に掲載されたVLBIデータの収集と解析により、R CrtおよびRT Virにおけるメーサー斑点の空間的分布および運動をマッピングすること。
• 単一電波望遠鏡の光曲線とVLBIマップを相関させ、ドップラー速度のずれや重ね合わせ効果を特定すること。
• GILDASソフトウェアを用いてデータの低減およびスペクトル解析を行い、放射度および速度の時間的変化を抽出すること。
• COおよびOH観測から導かれた星風の終端速度と、メーサーのドップラー速度ずれを比較すること。
• 個々の特徴とは無関係に、異なるドップラー速度チャンネルにおけるメーサー明るさ変動を統計的に分析し、長期的傾向を特定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 R CrtおよびRT VirにおけるH2Oメーサー放射の明るさ変動が、個々のスペクトル特徴とは独立して10年スケールで発生する原因は何か？
• RQ2 数か月から1.5年スケールの短期的メーサー変動は、個々のメーサー雲の動態とどのように関係しているか？
• RQ3 RT Virにおける11 km s−1の特徴が7.5年間にわたり速度ずれを示さないのはなぜか？これは周囲星間環境内での位置にどのような意味を持つのか？
• RQ4 メーサー明るさ変動が中心星の光学的光曲線とどの程度相関しているか？
• RQ5 星風の不均一性は、観測されたメーサー変動および特定の特徴の見かけ上の長寿命性をどのように説明できるか？

主な発見

• R CrtおよびRT Virにおける長期的明るさ変動は、数十年スケールで発生し、個々の速度範囲における独立した明るさの変化に起因しており、光学的光曲線とは相関しない。
• 数か月から1.5年スケールの短期的メーサー変動は、個々のメーサー雲の一時的出現と消滅に起因している。
• RT Virにおける11 km s−1の特徴は、7.5年間にわたり速度ずれを示さず（< 0.06 km s−1 yr−1）、これは外層殻における終端風速度で運動する、単一で安定したメーサー雲に起因していることを示している。
• 長期間にわたる特徴の存在は、複数の短期間のメーサー雲を宿す密度が高く、不均一な周囲星間環境に起因しており、典型的な通過時間は20年程度である。
• RT Virにおける最高のメーサー出速度は、COおよびOH観測によって確認された終端風速度に近づいており、メーサー放射が星風の外層で加速された部分に由来していることを示している。
• R CrtおよびRT Virの平均メーサー放射度は、RX BooおよびSV Pegの10倍程度高いが、これは星の放射度や質量放出率とは相関せず、局所的な星風の不均一性がメーサー活動を支配している他の要因を示唆している。