[논문 리뷰] Pulsation tomography of rapidly oscillating Ap stars. Resolving the third dimension in peculiar pulsating stellar atmospheres

T. Ryabchikova, Mikhail Sachkov외 2명|ArXiv.org|2007. 08. 02.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 45인용 수 45

한 줄 요약

이 연구는 10개의 빠르게 진동하는 Ap 항성에서 여러 천체망원경을 통해 확보한 고해상도 스펙트로스코픽 시간계측 데이터를 활용하여 희토류 원소의 선량을 통해 깊이에 따라 변하는 진동 진폭과 위상 변화를 규명함으로써 흔들림 탐사 기법을 적용하였다. 대기 중에서 정적파에서 진행파 성질로의 전이가 나타나며, Nd/Pr 선에서 최대 진동 진폭과 Tb iii 및 Th iii에서 뚜렷한 위상 이동이 관측되었고, Th iii 진동의 최초로 탐지되었으며, 세 별에 대해 표면 자기장 강도가 유도되었다.

ABSTRACT

We present detailed analysis of the vertical pulsation mode cross-section in ten rapidly oscillating Ap (roAp) stars based on spectroscopic time-series observations. The aim of this analysis is to derive from observations a complete picture of how the amplitude and phase of magnetoacoustic waves depend on depth. We find common features in the pulsational behaviour of roAp stars. Within a sample of representative elements the lowest amplitudes are detected for Eu II (and Fe in 33 Lib and in HD 19918), then pulsations go through the layers where Halpha core, Nd, and Pr lines are formed. There RV amplitude reaches its maximum, and after that decreases in most stars. The maximum RV of the second REE ions is always delayed relative to the first ions. The largest phase shifts are detected in Tb III and Th III lines. Pulsational variability of the Th III lines is detected here for the first time. The Y II lines deviate from this picture, showing even lower amplitudes than Eu II lines but half a period phase shift relative to other weakly pulsating lines. The roAp stars exhibit similarity in the depth-dependence of pulsation phase and amplitude, indicating similar chemical stratification and comparable vertical mode cross-sections. In general, pulsations waves are represented by a superposition of the running and standing wave components. In the atmospheres of roAp stars with the pulsation frequency below the acoustic cut-off frequency, pulsations have a standing-wave character in the deeper layers and behave like a running wave in the outer layers. Cooler roAp stars develop a running wave higher in the atmosphere. In stars with pulsation frequency close to the acoustic cut-off one, pulsation waves have a running character starting from deep layers. (Abridged)

연구 동기 및 목표

• 스펙트로스코픽 시간계측 데이터를 활용하여 빠르게 진동하는 Ap 항성에서 p-모드 진동의 수직적 구조를 규명한다.
• 다른 화학 원소의 선량을 통해 대기 깊이에 따라 진동 진폭과 위상이 어떻게 변화하는지 조사한다.
• 대기층 전반에 걸쳐 진동 파동 전파의 성격—정적파 대비 진행파—를 규명한다.
• 화학적 분포와 자기장이 roAp 항성에서 진동 서명을 어떻게 형성하는지 규명한다.
• 표면 자기장 강도를 유도하고, 진동 선에서 난류 브로드닝을 평가한다.

제안 방법

• 10개의 roAp 항성에 대해 SAO 6-m, CFHT, ESO VLT 천체망원경에서 고시간 해상도 스펙트로스코픽 데이터를 확보하였다.
• 희토류 원소(REEs), 철계 원소, Y ii를 중심으로 다양한 이온화 단계와 원자량을 갖는 대표적인 스펙트럼 선을 선별하였다.
• 각 스펙트럼 선에 대해 진폭-위상 다이어그램을 구성하여 대기 깊이에 따른 진동 행동를 매핑하였다.
• 스펙트럼 선의 형성 높이를 대기 깊이의 대체 척도로 사용하였으며, 알려진 원자 데이터와 모델 대기 구조를 활용하였다.
• 시간계측 분석을 적용하여 각 선의 도플러 속도 진폭과 위상을 추출하였고, 이로써 진동 모드의 탐사적 재구성을 가능하게 하였다.
• 선형형상의 비대칭성에서 난류 브로드닝을 추정하고, 선형형상 피팅을 통해 매크로 turbulent 속도를 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 roAp 항성에서 진동의 진폭과 위상은 대기 깊이에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 특히 첫 번째와 두 번째 희토류 이온 간에 관측된 위상 이동의 원인은 무엇인가?
• RQ3 최대 진폭에 도달한 후 외부 대기에서 진동 진폭이 감소하는 이유는 무엇이며, 이를 이끄는 물리적 과정은 무엇인가?
• RQ4 Tb iii 및 Th iii와 같은 특정 희토류 선에서 관측된 극도의 브로드닝 증가의 기원은 무엇인가?
• RQ5 정적파에서 진행파 성질로의 전이가 roAp 항성의 화학적 분포와 자기장 구조와 관련이 있는가?

주요 결과

• Eu ii 및 Fe 선에서 진동 진폭이 가장 낮으며(진폭 < 50–100 m s⁻¹), Nd 및 Pr 선에서 최대에 도달한 후 대부분의 항성에서 감소한다.
• 두 번째 REE 이온(예: Tb iii, Th iii)의 최대 도플러 속도 진폭은 첫 번째 REE 이온에 비해 최대 0.5–0.75 사이클 정도 지연되어 나타난다.
• 가장 큰 위상 이동은 Tb iii 및 Th iii 선에서 관측되었으며, 본 연구에서 Th iii 진동이 최초로 탐지되었다.
• Y ii 선은 가장 낮은 진폭을 보이며, 다른 약한 진동 선들에 비해 정확히 반 사이클(π 라디안)의 위상 이동을 보인다.
• 추가 브로드닝은 매크로 turbulent 속도 4–11–12 km s⁻¹에 해당하는 것으로 측정되었으며, 이는 Tb iii 및 Th iii 선에서 최대에 도달한다.
• 세 항성(HD 9289, 2 kG; HD 12932, 1.7 kG; HD 19918, 1.6 kG)에 대해 표면 자기장 강도가 최초로 유도되었다.