[논문 리뷰] Aperture synthesis imaging of the carbon AGB star R Sculptoris: Detection of a complex structure and a dominating spot on the stellar disk

M. Wittkowski, K.-H. Hofmann외 17명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 08.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 65인용 수 19

한 줄 요약

VLTI 간섭계를 이용한 AMBER 및 PIONIER 관측을 통해, 이 글은 근적외선 파장에서 탄소 농축 AGB 별 R Sculptoris의 복잡하고 비균일한 별면을 해상도 높게 분석하였다. 주로 서쪽 반구에 위치한 두드러진 밝은 영역이 확인되었으며, 이는 로세란드 각지름 8.9 ± 0.3 mas로 측정되었고, 이는 반지름 355 ± 55 R☉에 해당한다. 관측 결과는 바람이 없는 동적 대기 모델이 가장 잘 맞는 것으로 나타났으며, 이는 현재의 바람 모델이 예측하는 것보다 별의 원형성주변 환경이 더 짧게 확장되어 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We present near-infrared interferometry of the carbon-rich asymptotic giant branch (AGB) star R Sculptoris. The visibility data indicate a broadly circular resolved stellar disk with a complex substructure. The observed AMBER squared visibility values show drops at the positions of CO and CN bands, indicating that these lines form in extended layers above the photosphere. The AMBER visibility values are best fit by a model without a wind. The PIONIER data are consistent with the same model. We obtain a Rosseland angular diameter of 8.9+-0.3 mas, corresponding to a Rosseland radius of 355+-55 Rsun, an effective temperature of 2640+-80 K, and a luminosity of log L/Lsun=3.74+-0.18. These parameters match evolutionary tracks of initial mass 1.5+-0.5 Msun and current mass 1.3+-0.7 Msun. The reconstructed PIONIER images exhibit a complex structure within the stellar disk including a dominant bright spot located at the western part of the stellar disk. The spot has an H-band peak intensity of 40% to 60% above the average intensity of the limb-darkening-corrected stellar disk. The contrast between the minimum and maximum intensity on the stellar disk is about 1:2.5. Our observations are broadly consistent with predictions by dynamic atmosphere and wind models, although models with wind appear to have a circumstellar envelope that is too extended compared to our observations. The detected complex structure within the stellar disk is most likely caused by giant convection cells, resulting in large-scale shock fronts, and their effects on clumpy molecule and dust formation seen against the photosphere at distances of 2-3 stellar radii.

연구 동기 및 목표

• 탄소 농축 AGB 별 R Sculptoris의 광구 및 즉각적인 원형성주변 환경을 고각해상도로 영상화하기 위해.
• 대기 비균일성, 예를 들어 대류 세포와 먼지 덩어리 등이 별 표면에 존재하는지 및 그 구조를 조사하기 위해.
• 고각해상도 간섭계 데이터를 바탕으로 동적 대기 및 바람 모델을 시험하여, 별의 구조와 질량 손실을 예측하는 데 있어 그 정확도를 평가하기 위해.
• 기본적인 별 파rameters(반지름, 온도, 빛의 세기)를 결정하고, 이를 진화 모델과 비교하기 위해.
• 관측된 밝기 대비의 기원, 특히 두드러진 서쪽 반구의 밝은 영역을 대류 및 먼지 형성 과정과 연결하기 위해.

제안 방법

• 2012년 Very Large Telescope Interferometer(VLTI)에서 AMBER 기구를 이용해 중해상도 K밴드 간섭계 관측을 수행하였다.
• 2014년 및 2015년 VLTI에서 PIONIER 기구를 이용해 저해상도 H밴드 간섭계 영상 관측을 수행하였으며, 영상 복원에 필요한 충분한 uv-평면 커버리지 확보를 위해 노력하였다.
• 별면과 원형성주변 환경의 공간적 구조를 추론하기 위해 제곱 visibility 및 클로처 위상 측정을 수행하였다.
• 탄소 농축 AGB 별을 위한 1차원 동적 대기 및 바람 모델의 격자와 관측 데이터를 비교하였다.
• visibility 데이터로부터 유도된 로세란드 각지름을 바탕으로, 볼로메트릭 복사량과 거리 추정치를 이용해 별 반지름, 효율 온도 및 빛의 세기를 계산하였다.
• PIONIER 데이터를 이용해 고정밀 영상 복원을 수행하였으며, 경계면 어두움 보정을 통해 고유한 밝기 변동을 분리하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탄소 농축 AGB 별 R Sculptoris의 광구 진정한 형태는 어떠한가? 비구형 또는 비균일한 구조를 보이는가?
• RQ2 현재의 탄소 농축 AGB 별 동적 대기 및 바람 모델은 관측된 간섭계 데이터를 어느 정도 잘 재현하는가? 특히 원형성주변 환경의 확장 정도 측면에서.
• RQ3 관측된 별면의 밝기 대비는 무엇으로 인해 발생하는가? 특히 서쪽 반구에 있는 두드러진 밝은 영역은?
• RQ4 R Sculptoris의 유도된 기본 별 파rameters(반지름, 온도, 빛의 세기)는 별 진화 모델의 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 관측된 별면의 미세한 구조는 3D 복사유체역학 시뮬레이션의 대류 및 먼지 형성 예측과 일치하는가?

주요 결과

• R Sculptoris의 로세란드 각지름은 8.9 ± 0.3 mas로 측정되었으며, 이는 로세란드 반지름 355 ± 55 R☉에 해당한다.
• 효율 온도는 2640 ± 80 K로 결정되었으며, 빛의 세기는 log(L/L☉) = 3.74 ± 0.18이다.
• 간섭계 데이터에 가장 잘 맞는 모델은 바람이 없는 동적 대기 모델이었으며, R Sculptoris가 원형성주변 환경을 가지고 있음에도 불구하고 그렇다.
• PIONIER를 통해 복원된 영상은 서쪽 반구에 두드러진 밝은 영역을 보여주었으며, 이 영역의 최대 밝기는 경계면 어두움 보정 후 평균 밝기보다 45–60% 높았다.
• 별면에서 최소 및 최대 밝기 사이의 총 대비는 약 1:2.5로, 강한 局부 비균일성을 나타낸다.
• 모델 비교 결과, 현재의 바람 모델은 원형성주변 환경의 확장을 과도하게 예측하고 있음을 시사하며, 이는 실제 질량 손실률이 이전에 추정한 것보다 낮을 수 있거나, 모델에 추가 물리적 요소가 필요함을 시사한다.