[논문 리뷰] Short-term variability and mass loss in Be stars V. Space photometry and ground-based spectroscopy of $\gamma$ Cas

C. C. Borre, D. Baade외 10명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 11.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 60인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 우주 광도 측정( SMEI, BRITE)과 약력 Hα 스펙트로스코피(2006–2017)를 이용하여 베 항성의 대표주인 γ Cas에서의 광학적 변동성과 질량 손실을 조사한다. Hα 선 구조를 통한 203.5일의 궤도 주기 확인과 함께, 비구심 진동(NRPs)으로 기인한 세 가지 별도의 고주파 변동성—0.82 d⁻¹, 1.25 d⁻¹, 2.48 d⁻¹—을 규명하였으며, 2.48 d⁻¹ 주파수는 2000년대 초반부터 존재한 것으로 나타나 회전 기원을 배제하고, 디스크 질량 방출의 주요 메커니즘으로서 비구심 진동을 지지한다.

ABSTRACT

Context. Be stars are physically complex systems that continue to challenge theory to understand their rapid rotation, complex variability and decretion disks. $\gamma$ Cassiopeiae ($\gamma$ Cas) is one such star but is even more curious because of its unexplained hard thermal X-ray emission. Aims. We aim to examine the optical variability of $\gamma$ Cas and thereby to shed more light on its puzzling behaviour. Methods. Three hundred twenty-one archival H$\alpha$ spectra from 2006 to 2017 are analysed to search for frequencies corresponding to the 203.5 day orbit of the companion. Space photometry from the SMEI satellite from 2003 to 2011 and the BRITE-Constellation of nano-satellites between 2015 and 2019 is investigated in the period range from a couple of hours to a few days. Results. The orbital period of the companion of 203.5 days is confirmed with independent measurements from the structure of the H$\alpha$ line emission. A strong blue/red asymmetry in the amplitude distribution across the H$\alpha$ emission line could hint at a spiral structure in the decretion disk. With the space photometry, the known frequency of 0.82 d$^{-1}$ is confirmed in data from the early 2000s. A higher frequency of 2.48 d$^{-1}$ is present in the data from 2015 to 2019 and possibly also in the early 2000s. A third frequency at 1.25 d$^{-1}$ is proposed to exist in both SMEI and BRITE data. The only explanation covering all three rapid variations seems to be nonradial pulsation. The two higher frequencies are incompatible with rotation.

연구 동기 및 목표

• γ Cas, 즉 설명되지 않은 X선 방출을 보이는 대표적 베 항성에서의 광학적 변동성과 질량 손실 메커니즘을 이해하기 위해.
• 관측된 고주파 변동성이 회전, 궤도 조절, 또는 진동에 기인한 것인지 확인하기 위해.
• Hα 선형형 비대칭성의 기원과 그 디스크 구조와의 연관성을 조사하기 위해.
• 다중 시점 데이터를 이용한 광도 및 스펙트로스코픽 변동성의 장기적 진화 평가를 위해.

제안 방법

• 2006–2017년 기간 동안의 321건의 약력 Hα 스펙트럼 분석을 통해 주기성과 선형형 비대칭성을 탐지하기 위해.
• 2003–2011년의 SMEI 광도 측정 데이터와 2015–2019년의 BRITE-Constellation 나노 위성 데이터를 0.1–5 d⁻¹ 주파수 범위에서 시간 시리즈 분석하기 위해.
• 주요 주기성의 식별과 시간에 따른 안정성 평가를 위한 푸리에 및 주파수 분석을 수행하기 위해.
• Hα 진폭 분포와 궤도 위상 간의 상관관계 분석을 통해 위상 고정된 나선형 구조 효과 탐지하기 위해.
• 2000년대 초반에 2.48 d⁻¹ 주파수 존재 여부를 검증하기 위해 SMEI 데이터 재분석을 수행하기 위해.
• 관측 주파수의 기원을 회전, 궤도, 비구심 진동(NRP) 중 어느 것으로 설명할 수 있는지 비교하기 위해 모델 분석을 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 γ Cas의 동반성의 203.5일 궤도 주기는 Hα 선 구조의 분석을 통해 확인되는가?
• RQ2 관측된 고주파 광도 변동성(0.82 d⁻¹, 1.25 d⁻¹, 2.48 d⁻¹)은 회전, 궤도 조절, 또는 비구심 진동에 기인한 것인가?
• RQ3 Hα 선형형의 파란색/빨간색 진폭 비대칭성은 동반성에 의해 유도된 위상 고정된 나선형 디스크 구조를 시사하는가?
• RQ4 2.48 d⁻¹ 주파수는 SMEI 및 BRITE 데이터 양측에서 검출되었는가? 그리고 2000년대 초반에도 존재했는가?
• RQ5 관측된 세 주파수는 비구심 진동과 같은 단일 물리적 메커니즘으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• γ Cas의 동반성의 203.5일 궤도 주기는 Hα 복사선 구조의 위상 고정 조절을 통해 확인된다.
• Hα 선형형의 강한 파란색/빨간색 진폭 비대칭성은 동반성의 중력 영향으로 유도된 나선형 디스크 구조를 시사한다.
• 0.82 d⁻¹ 주파수는 2003–2011년의 SMEI 데이터에서 확인되었으며 진폭은 감소 추세이며, BRITE 데이터에서는 검출되지 않았다(검출 한계 약 1 mmag).
• 2.48 d⁻¹ 주파수는 2015–2019년의 BRITE 광도 측정에서 지배적이며, 2003–2011년의 SMEI 데이터에서도 존재했을 가능성이 있어 장기적 지속성을 보여준다.
• 1.25 d⁻¹ 주파수는 SMEI 및 BRITE 양측 데이터에서 모두 검출되어 다수의 데이터 세트에서의 존재를 지지한다.
• 세 가지 고주파 변동성(0.82 d⁻¹, 1.25 d⁻¹, 2.48 d⁻¹)은 회전과 부합하지 않으며, 대부분 비구심 진동으로 설명되며, 이는 베 항성에서 질량 방출의 주요 원동력이다.