[논문 리뷰] Mid-infrared interferometric monitoring of evolved stars - The dust shell around the Mira variable RR Aql at 13 epochs

I. Karovicova, M. Wittkowski외 4명|arXiv (Cornell University)|2011. 07. 05.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 VLTI/MIDI 장치를 사용하여 Mira 변수 RR Aql에 대해 13 에포크의 중적외선 간섭계 관측을 수행하며, 동적 펄세이션 기반 대기와 복사 전달을 고려한 먼지 껍질을 모델링한다. 데이터는 흡수율 τ_V = 2.8 ± 0.8, R_in = 4.1 ± 0.7 R_Photosphere, 그리고 거듭제곱 법칙 지수 p = 2.6 ± 0.3를 갖는 규소산염 먼지 껍질에 의해 가장 잘 설명되며, 이는 중적외선 복사 및 가시도에 대한 펄세이션 효과가 각각 25% 이하 및 20% 이하임을 시사하며, 측정 불확도 범위 내에서는 감지되지 않는다.

ABSTRACT

We obtained 13 epochs of mid-infrared interferometry with the MIDI instrument at the VLTI between April 2004 and July 2007, covering pulsation phases 0.45-0.85 within four cycles. The data are modeled with a radiative transfer model of the dust shell where the central stellar intensity profile is described by a series of dust-free dynamic model atmospheres based on self-excited pulsation models. We examined two dust species, silicate and Al2O3 grains. We performed model simulations using variations in model phase and dust shell parameters to investigate the expected variability of our photometric and interferometric data. The observed visibility spectra do not show any indication of variations as a function of pulsation phase and cycle. The observed photometry spectra may indicate intracycle and cycle-to-cycle variations at the level of 1-2 standard deviations. The best-fitting model for our average pulsation phase of 0.64+/-0.15 includes the dynamic model atmosphere M21n (T_model=2550 K) with a photospheric angular diameter of 7.6+/-0.6 mas, and a silicate dust shell with an optical depth of 2.8+/-0.8, an inner radius of 4.1+/-0.7 R_Phot, and a power-law index of the density distribution of 2.6+/-0.3. The addition of an Al2O3 dust shell did not improve the model fit. The photospheric angular diameter corresponds to a radius of 520^+230_-140 R_sun and an effective temperature of ~ 2420+/-200 K. Our modeling simulations confirm that significant visibility variations are not expected for RR Aql at mid-infrared wavelengths within our uncertainties. We conclude that our RR Aql data can be described by a pulsating atmosphere surrounded by a silicate dust shell. The effects of the pulsation on the mid-infrared flux and visibility values are expected to be less than about 25% and 20%, respectively, and are too low to be detected within our measurement uncertainties.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 중적외선 간섭계를 활용하여 산소 풍부 Mira 변수에서 펄세이션, 먼지 응축, 질량 손실 간의 관계를 조사하기 위해.
• RR Aql에서 중적외선 가시도 및 복사 강도 변화가 펄세이션 위상과 주기와 관련이 있는지 확인하기 위해.
• 동적 자기 진동 펄세이션 모델과 복사 전달을 사용하여 먼지 껍질 구조와 중심 항성 대기층을 모델링하기 위해.
• 먼지 껍질 내에서 Al2O3 먼지가 규소산염에 비해 기여하는 비율과 그 감지 가능성 평가하기 위해.
• 다중 에포크 간섭계 데이터를 이용하여 먼지 껍질과 광학적 표면의 기하학적·물리적 매개변수를 제약하기 위해.

제안 방법

• 2004~2007년 동안 4개의 펄세이션 주기 동안 Very Large Telescope Interferometer (VLTI)의 MIDI 장치를 사용하여 다중 에포크 중적외선 간섭계 관측을 수행하였다.
• 자기 진동 펄세이션 시뮬레이션 기반의 동적, 먼지 없는 모델 대기층을 사용하여 중심 항성 강도 프로파일을 모델링하였다 (예: T_model = 2550 K인 M21n 모델).
• 먼지 껍질의 복사 전달 모델을 적용하였으며, 거듭제곱 법칙 밀도 분포 (ρ ∝ r^−p) 와 다양한 투과율 (τ_V) 및 내부 반지름 (R_in) 을 가정하였다.
• 모델에서 두 가지 먼지 종류—규소산염과 Al2O3—를 시험하여 관측된 SED 및 가시도 스펙트럼에 대한 기여도를 평가하였다.
• 모델 적합도 평가를 위해 8–13 μm 범위에서 시뮬레이션된 값과 관측된 복사 강도 및 가시도 스펙트럼을 비교하였으며, 불확도는 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 전파하였다.
• 모델 시뮬레이션은 펄세이션 위상 및 먼지 껍질 매개변수의 변화를 탐색하여 기대되는 가시도 및 광학적 변동 수준을 예측하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RR Aql의 중적외선 가시도 및 복사 강도 변화는 펄세이션 위상 또는 주기와 상관이 있는가?
• RQ2 펄세이션하는 동적 대기 주변의 먼지 껍질에 대한 복사 전달 모델이 관측된 중적외선 SED 및 가시도 곡선을 재현할 수 있는가?
• RQ3 데이터에서 Al2O3 먼지 껌질 존재는 감지 가능한가, 아니면 규소산염만 존재하는 것으로 일관하는가?
• RQ4 다중 에포크 간섭계 데이터에 가장 잘 맞는 먼지 껌질의 물리적 매개변수(투과율, 내부 반지름, 거듭제곱 법칙 지수)는 무엇인가?
• RQ5 펄세이션에 의해 유도되는 항성 대기층의 변화가 짧은 시간 척도와 긴 시간 척도에서 중적외선 복사 강도 및 가시도에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 내주기나 주기 간의 가시도 변화는 유의미하게 감지되지 않았으며, 예측된 모델 변화는 측정 불확도(5–20%) 이내였다.
• 광학 스펙트럼은 내주기 및 주기 간 변화 가능성이 1–2σ 수준에서 나타났으며, 아직 확인되지 않은 복사 강도 조절의 약간의 증거를 시사하였다.
• 가장 잘 맞는 모델은 투과율 τ_V = 2.8 ± 0.8, 내부 반지름 R_in = 4.1 ± 0.7 R_Photosphere, 거듭제곱 법칙 지수 p = 2.6 ± 0.3를 갖는 규소산염 먼지 껌질을 포함하고 있다.
• 광학적 표면 각지름 θ_Photosphere = 7.6 ± 0.6 mas를 갖는 중심 동적 모델 대기 M21n (T_model = 2550 K, Φ_model = 0.1) 이 데이터에 가장 잘 맞는다.
• 광학적 표면 반지름은 R_phot = 520⁺²³⁰₋₁₄₀ R☉ 이며, 효과적 온도 T_eff ≈ 2420 ± 200 K 로, 모델 대기와 일치한다.
• Al2O3 먼지는 모델 적합도를 향상시키지 못했지만, 모델 시뮬레이션 결과 내부 Al2O3 껍질이 낮은 투과율을 갖는 경우는 배제되지 않으며, 먼지 응축 순서에 기여할 수 있다.