[論文レビュー] Weighing Betelgeuse: Measuring the mass of alpha Orionis from stellar limb-darkening

Hilding R. Neilson, John B. Lester+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2011

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、フラックス保存型端部暗黒法則、球対称モデル星周囲、および狭帯域Hバンド干渉観測を用いて、赤超巨星ベテルギウスの質量を測定する新規手法を提示する。端部暗黒法則の固定点が星の半径対質量比に関連することを特定し、著者らは $11.6^{+5.0}_{-3.9}~{}M_{\odot}$ の質量を導出し、従来の理論的推定値との不一致を解消し、星の進化モデルに対する重要な制約を提供する。

ABSTRACT

Stellar limb-darkening is an important tool for constraining the properties of a stellar atmosphere. We present a novel method for relating the fundamental stellar parameters mass and radius to limb-darkening laws using grids of spherical model stellar atmospheres. This method is applied to interferometric observations of the red supergiant Betelgeuse, where an unique measure of the stellar mass is determined.

研究の動機と目的

• 星の進化モデルから導かれた理論的質量推定値（$21\pm2~{}M_\odot$）と表面重力の制約（$\sim9.5~{}M_\odot$）との間にある長年の不一致を解消すること。
• 干渉計強度プロファイルと端部暗黒法則の物理に基づく、非連星赤超巨星の質量を測定する新規な観測ベースの手法を開発すること。
• フラックス保存型端部暗黒法則の固定点と星の半径対質量比 $R_*/M_*$ の間の関係を確立し、光度測定および干渉計測データから質量を同定可能にする。
• 導出された質量が、既存の分光的重力推定値および進化モデルと整合しているかを検証すること。

提案手法

• 本手法は、係数 $A$ と $B$ で定義されるフラックス保存型端部暗黒法則を用い、異なるモデル間で強度プロファイルが交差する固定点 $\mu_1$ によって関連づけられる。
• SAtlasコードを用いて、$T_{\rm{eff}}$、$\log g$、$M_*$ のグリッド上で球対称モデル星周囲を計算し、1000個の $\mu$-ポイントで強度プロファイルを算出する。
• 固定点 $\mu_1$ と正規化された強度 $I(\mu_1)/2\mathcal{H}$ が $R_*/M_*$ と相関することを示し、観測された端部暗黒法則から質量推定が可能になる。
• Hauboisら（2009年）の干渉計測データをモデル強度プロファイルにフィットさせ、視直径と効果的温度を決定する。
• 端部暗黒係数 $A$ と $B$ は、可視度曲線の第一ローブにフィットされ、自由度を減らすために $B = -1.27A + 1.50$ の強い相関が用いられる。
• 観測された $A$ と $B$ の値を、経験的関係式 $\mu_1 = C_\mu(\log R_*/M_*)^2 + D_\mu$ および $I(\mu_1)/2\mathcal{H} = C_I(\log R_*/M_*)^2 + D_I$ に適用し、$R_*/M_*$ を推定し、結果として質量を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フラックス保存型端部暗黒法則は、球対称星周囲における $R_*/M_*$ 比を推定するために用いることができるか？
• RQ2 ベテルギウスの端部暗黒法則の観測された固定点は、測定可能な $R_*/M_*$ 比に対応するか？
• RQ3 信号が限られている状況下でも、可視度曲線の第一ローブの干渉計測観測から信頼性のある端部暗黒係数を取得できるか？
• RQ4 ベテルギウスの導出された質量は、分光的重力推定値および進化モデルの両者と整合しているか？
• RQ5 距離および周囲星間物質のフラックスの不確実性が、最終的な質量推定にどのように影響するか？

主な発見

• ベテルギウスの視直径は $44.93 \pm 0.15$ mas と測定され、以前の干渉計測結果と整合する。
• 効果的温度は $3590 \pm 55$ K と決定され、全波長放射フラックスと距離から半径は $955 \pm 217~{}R_\odot$ と算出された。
• 端部暗黒係数は $A = 1.36 \pm 0.33$ および $B = -0.22 \pm 0.43$ とフィットされ、3400–3800 K の範囲で $B = -1.27A + 1.50$ の強い相関が確認された。
• $R_*/M_*$ の比は $82.17^{+13.32}_{-11.51}~{}R_\odot/M_\odot$ と導出され、質量推定値は $M = 11.6^{+5.0}_{-3.9}~{}M_\odot$ となった。
• 予測された表面重力は $\log g = -0.45^{+0.17}_{-0.16}$ であり、Lobel & Dupree（2000年）の値 $\log g = -0.5$ と整合する。
• 導出された質量は、ベテルギウスがType IIP超新星の前身星であることに整合し、特に対流コアの過剰拡散に関する星の進化モデルに対する制約を提供する。