[논문 리뷰] An edge-on translucent dust disk around the nearest AGB star L2 Puppis - VLT/NACO spectro-imaging from 1.04 to 4.05 microns and VLTI interferometry

P. Kervella, M. Montargès외 7명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 11.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 20

한 줄 요약

이 연구는 VLT/NACO 스펙트로-이미징(1.04–4.05 μm)과 VLTI 간섭측정을 이용해 가장 가까운 AGB 별인 L2 Puppis 주위에서 처음으로 경사진 투명한 먼지 원반을 직접 이미징하였다. J 밴드에서의 높은 투과도와 더 긴 파장으로 갈수록 점점 투명해지는 특성—추가로 L 밴드에서의 열복사—는 몬테카를로 복사전달 모델링(RADMC-3D)을 통해 재현되었으며, 기하학적으로 두꺼운 경사진 원반임을 규명하여 별의 장기적 변수성에 대한 설명을 제공하고 이중성 이론을 도전하며, 비대칭적인 원성별 물질에 대한 변동하는 조명 효과를 제안한다.

ABSTRACT

As the nearest known AGB star (d=64pc) and one of the brightest (mK-2), L2 Pup is a particularly interesting benchmark object to monitor the final stages of stellar evolution. We report new lucky imaging observations of this star with the VLT/NACO adaptive optics system in twelve narrow band filters covering the 1.0-4.0 microns wavelength range. These diffraction limited images reveal an extended circumstellar dust lane in front of the star, that exhibits a high opacity in the J band and becomes translucent in the H and K bands. In the L band, extended thermal emission from the dust is detected. We reproduce these observations using Monte-Carlo radiative transfer modeling of a dust disk with the RADMC-3D code. We also present new interferometric observations with the VLTI/VINCI and MIDI instruments. We measure in the K band an upper limit to the limb-darkened angular diameter of theta_LD = 17.9 +/- 1.6 mas, converting to a maximum linear radius of R = 123 +/- 14 Rsun. Considering the geometry of the extended K band emission in the NACO images, this upper limit is probably close to the actual angular diameter of the star. The position of L2 Pup in the Herzsprung-Russell diagram indicates that this star has a mass around 2 Msun and is probably experiencing an early stage of the asymptotic giant branch. We do not detect any stellar companion of L2 Pup in our adaptive optics and interferometric observations, and we attribute its apparent astrometric wobble in the Hipparcos data to variable lighting effects on its circumstellar material. We however do not exclude the presence of a binary companion, as the large loop structure extending to more than 10 AU to the North-East of the disk in our L band images may be the result of interaction between the stellar wind of L2 Pup and a hidden secondary object. The geometric configuration that we propose, with a large dust disk seen almost edge-on, appears particularly favorable to test and develop our understanding of the formation of bipolar nebulae.

연구 동기 및 목표

• 가장 가까운 AGB 별인 L2 Puppis의 원성별 환경을 해소하여 질량 손실 과정과 변수성의 메커니즘을 이해하기 위해.
• 히파르코스 데이터에서 관측된 아스트로메트릭 왜곡이 이중성 별의 영향인지, 아니면 원성별 효과의 영향인지 확인하기 위해.
• 적외선 이미징에서 관측된 확장된 먼지 방출의 기하학적 및 물리적 특성을 조사하기 위해.
• L2 Puppis의 장기적 밝기 변수성이 원반 내에서 변동하는 먼지 차폐에 기인한다는 가설을 테스트하기 위해.

제안 방법

• VLT/NACO 적응광학 시스템을 이용해 1.04–4.05 μm 범위에서 회절 한계에 도달한 좁은 밴드 이미징을 확보하였다.
• VLTI/VINCI 및 MIDI 간섭측정을 수행하여 별의 가장자리 어두움 각지름을 측정하였다.
• 기하학적으로 두꺼운 경사진 원반에서 먼지 산산조각 내기, 흡수 및 열복사를 모의하기 위해 RADMC-3D 코드를 사용한 몬테카를로 복사전달 모델링을 적용하였다.
• 관측된 스펙트럼 에너지 분포와 공간적으로 해상된 이미지를 모델에 맞추어 먼지 밀도, 온도 및 원반 기하학을 제약 조건으로 설정하였다.
• 측정된 각지름(17.9 ± 1.6 mas)을 이용해 선형 반지름 123 ± 14 R☉를 유도하였으며, 이는 별의 진화 상태와 일치한다.
• N-밴드 이미지의 비대칭성을 분석하여 숨겨진 이중성 별의 존재 가능성을 평가하였으며, 특히 10 AU 루프 구조를 중심으로 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 L2 Puppis의 장기적 밝기 변수성의 원인이 되는 원성별 물질의 진정한 성격은 무엇인가?
• RQ2 히파르코스 데이터에서 관측된 141일 주기의 아스트로메트릭 왜곡은 별의 이중성 때문인지, 아니면 비대칭적인 원성별 먼지에 의한 변동 조명 때문인가?
• RQ3 특히 L 밴드에서 L2 Puppis 주위의 확장된 적외선 방출의 기하학적 및 물리적 구조는 무엇인가?
• RQ4 관측된 파장에 따른 원반의 투과도 및 투명도는 일관된 기하학적 두께를 가진 경사진 먼지 원반에서 변동하는 광학적 두께에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ5 숨겨진 이중성 별이 관측된 원반 형태를 형성하고 질량 손실 비대칭성을 유도하는 데 어떤 역할을 할 수 있는가?

주요 결과

• VLT/NACO 이미지에서는 J 밴드에서 높은 투과도를 보이는 먼지 띠가 관측되었으며, H 및 K 밴드에서는 점점 투명해지고 L 밴드에서는 감지 가능한 열복사가 관측되었다.
• L2 Puppis의 가장자리 어두움 각지름은 17.9 ± 1.6 mas로 제약 조건이 설정되었으며, 이는 선형 반지름 123 ± 14 R☉에 해당한다.
• RADMC-3D를 사용한 몬테카를로 복사전달 모델링은 파장에 따른 형태와 스펙트럼 에너지 분포를 성공적으로 재현하였으며, 경사진 기하학적으로 두꺼운 먼지 원반이 있음을 확인하였다.
• 1995년 이후 지속된 장기적 밝기 최소는 원반의 밀도가 높고 덩어리로 이루어진 영역이 시야를 가로질러 통과할 때 발생하는 것으로 가장 잘 설명되며, 이는 변동하는 먼지 차폐와 일치한다.
• NACO 또는 VINCI 관측에서 별의 이중성은 발견되지 않았으며, 히파르코스 아스트로메트릭 왜곡은 궤도 운동이 아닌 비대칭적인 원성별 먼지에 의한 변동 조명 효과 때문임이 밝혀졌다.
• L-밴드 이미지에서의 10 AU 루프 구조는 숨겨진 이중성 별과의 상호작용 가능성을 시사하며, 이는 이중성이 원반 형성의 원인이 될 수 있다는 가설을 지지한다.