[논문 리뷰] Radiative hydrodynamics simulations of red supergiant stars. III. Spectro-photocentric variability, photometric variability, and consequences on Gaia measurements

A. Chiavassa, E. Pasquato외 9명|arXiv (Cornell University)|2010. 12. 23.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 2인용 수 52

한 줄 요약

이 연구는 3차원 복사권역유체역학 시뮬레이션을 사용하여 적색 초거성에서의 광학중심 및 광도 변화를 정량화한다. 그 결과, 대류 세포에 의해 유도된 항성 광학중심의 운동이 표준편차 약 0.1 AU인 천체측위 노이즈를 유도함을 보여주며, 이 노이즈는 특히 베텔게우즈와 같은 가까운 초거성에서 가이아의 지름 측정치를 몇 퍼센트 정도 떨어뜨릴 수 있다. 이는 대기 조건에 따라 수천 명의 밝은 거성과 초거성에 영향을 줄 수 있다.

ABSTRACT

Context. It has been shown that convection in red supergiant stars gives rise to large granules causing surface inhomogeneities together with shock waves in the photosphere. The resulting motion of the photocenter (on time scales ranging from months to years) could possibly have adverse effects on the parallax determination with Gaia. Aims. We explore the impact of the granulation on the photocentric and photometric variability. We quantify these effects in order to better characterize the error possibly altering the parallax. Methods. We use 3D radiative-hydrodynamics simulations of convection with CO5BOLD and the post-processing radiative transfer code OPTIM3D to compute intensity maps and spectra in the Gaia G band [325-1030 nm]. Results. We provide astrometric and photometric predictions from 3D simulations of RSGs that are used to evaluate the degradation of the astrometric parameters of evolved stars derived by Gaia. We show from RHD simulations that a supergiant like Betelgeuse exhibits a photocentric noise characterised by a standard deviation of the order of 0.1 AU. The number of bright giant and supergiant stars whose Gaia parallaxes will be altered by the photocentric noise ranges from a few tens to several thousandths. The degradation of the astrometric fit due to the presence of this photocentric noise will be noticeable up to about 5 kpc for the brightest supergiants. Moreover, parallaxes of supergiants are affected by a error of the order of a few percents. We show that the photocentric noise, as predicted by the 3D simulation, does account for a substantial part of the supplementary 'cosmic noise' that affects Hipparcos measurements of Betelgeuse and Antares.

연구 동기 및 목표

• 3차원 복사권역유체역학 시뮬레이션을 사용하여 대류 세포에 의해 유도되는 적색 초거성의 광학중심 변화를 정량화하는 것.
• 이 변화가 가이아의 천체측위 측정치, 특히 지름 측정 정확도에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 광학중심 노이즈로 인해 심각하게 영향을 받을 밝은 거성과 초거성의 수를 추정하는 것.
• 모의된 노이즈가 베텔게우즈와 안타레스의 히파르코스 측정치에서 관측된 '우주적 노이즈'의 일부를 설명하는지 평가하는 것.
• 가이아 임무 기간 동안 주요 초거성의 광학중심 이동을 모니터링하기 위한 향후 관측 전략을 안내하는 것.

제안 방법

• 12 M⊙의 적색 초거성을 대상으로 CO5BOLD 코드를 사용한 3차원 복사권역유체역학(RHD) 시뮬레이션을 수행하였으며, 해상도는 8.6 R⊙(0.040 AU)이었다.
• OPTIM3D 복사전달 코드를 사용한 후처리로 가이아 G 대역(325–1030 nm)의 강도 맵과 스펙트럼을 생성하였다.
• 시간에 따른 광학중심 위치를 추적하여 시간적 변동성을 계산하였으며, 표준편차를 통해 광학중심 노이즈를 정량화하였다.
• 시간에 따른 강도 맵에서 광도 변화를 유도하고, 노이즈 진폭이 공식 오차에 비해 얼마나 큰지 기반으로 지름 측정의 열화를 추정하였다.
• 히파르코스의 스크래치 잔차와의 비교를 통해 모의된 결과가 관측된 '우주적 노이즈'와 일치하는지 평가하였다.
• 대기압 스케일 높이(HP)와 은하계 흡수의 영향을 시험하여 영향을 받는 항성 수의 불확실성 범위를 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3차원 RHD 시뮬레이션에 따르면, 대류 세포에 의해 유도된 적색 초거성의 광학중심 노이즈의 진폭은 얼마인가요?
• RQ2 얼마나 많은 밝은 거성과 초거성이 이 광학중심 노이즈로 인해 가이아의 지름 측정치에 심각한 영향을 받을 것으로 예상되나요?
• RQ3 모의된 광학중심 노이즈가 히파르코스 측정치에서 관측된 베텔게우즈와 안타레스의 '우주적 노이즈'를 어느 정도 설명할 수 있나요?
• RQ4 지름 측정 오차는 별의 거리에 따라 어떻게 달라지며, 특히 가까운 초거성의 경우 어떻게 되나요?
• RQ5 가이아 감도 처리 파이프라인은 진정한 지름과 광학중심 노이즈를 진화한 별에서 신뢰성 있게 구분할 수 있나요?

주요 결과

• 3D RHD 시뮬레이션에 따르면, 베텔게우즈 유사 적색 초거성에서 광학중심 노이즈의 표준편차는 약 0.1 AU이다.
• 베텔게우즈 유사 초거성의 가이아 지름 측정치는 몇 퍼센트의 체계적 오차를 겪을 수 있으며, 거리가 2.5 kpc 이내일 경우 공식 오차의 최대 15배까지 증가할 수 있다.
• 영향을 받는 밝은 거성과 초거성의 수는 대류 세포 크기와 대기압 스케일 높이 간의 관계에 대한 불확실성에 따라 수십에서 약 4,190개까지 변동한다.
• 모의된 광학중심 노이즈는 히파르코스 측정치에서 관측된 베텔게우즈와 안타레스의 '우주적 노이즈'의 상당 부분을 설명하지만, 전부는 아니다. 이는 회색 복사전달 근사의 한계로 인한 것으로 보인다.
• 광학중심 노이즈로 인한 천체측위 피팅 열화는 가장 밝은 초거성의 경우 약 5 kpc 거리까지 눈에 띄게 나타난다.
• 가이아 포화 한계(G ≈ 5.6) 근처의 초거성에서 간섭계 기법을 사용해 광학중심 이격을 모니터링하면 광학중심 이격 관계에 대한 중요한 제약 조건을 얻을 수 있으며, 이상적인 목표는 2 kpc 거리에서 약 4 mas의 천체각지름을 가져야 한다.