[논문 리뷰] SPHERE / ZIMPOL observations of the symbiotic system R Aqr. I. Imaging of the stellar binary and the innermost jet clouds

H. M. Schmid, A. Bazzon외 41명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 16.

Adaptive optics and wavefront sensing참고 문헌 1인용 수 27

한 줄 요약

이 연구는 R 수병자리의 상호작용 이중성에 대해 고해상도 SPHERE/ZIMPOL 영상 촬영을 수행하여 항성 이중성과 내부 제트 구름을 60 AU까지 해상도를 확보하였다. 이는 밀도 기울기가 뚜렷하고, 재결합 시간 스케일이 짧으며(일수에서 수개월), Hα 발광이 변하는 매우 동적인 제트 시스템을 드러내며, 밀도 높은 바람 환경에서 궤도 운동과 충격 상호작용에 의해 빠르게 진화하는 것으로 나타났다.

ABSTRACT

R Aqr is a symbiotic binary system consisting of a mira variable, a hot companion with a spectacular jet outflow, and an extended emission line nebula. We have used R Aqr as test target for the visual camera subsystem ZIMPOL, which is part of the new extreme adaptive optics (AO) instrument SPHERE at the Very Large Telescope (VLT). We compare our observations with data from the Hubble Space Telescope (HST) and illustrate the complementarity of the two instruments. We determine from the Halpha emission the position, size, geometric structure, and line fluxes of the jet source and the clouds in the innermost region (<2") of R Aqr and determine Halpha emissivities mean density, mass, recombination time scale, and other cloud parameters. Our data resolve for the first time the R Aqr binary and we measure for the jet source a relative position 46+/-1 mas West of the mira. The central jet source is the strongest Halpha component. North east and south west from the central source there are many clouds with very diverse structures. We see in the SW a string of bright clouds arranged in a zig-zag pattern and, further out, more extended bubbles. In the N and NE we see a bright, very elongated filamentary structure and faint perpendicular "wisps" further out. Some jet clouds are also detected in the ZIMPOL [OI] and He I filters, as well as in the HST line filters for Halpha, [OIII], [NII], and [OI]. We determine jet cloud parameters and find a very well defined anti-correlation between cloud density and distance to the central binary. Future Halpha observations will provide the orientation of the orbital plane of the binary and allow detailed hydrodynamical investigations of this jet outflow and its interaction with the wind of the red giant companion.

연구 동기 및 목표

• 비전례적인 공간 해상도로 R 수병자리의 내부 제트 구조를 해상도를 높여 분석한다.
• 밀도, 크기, 빛의 세기, 역학적 시간 스케일을 포함한 제트 구름의 물리적 성질을 특성화한다.
• 빠른 제트 기체 유출과 적색 거성에서 오는 밀도 높은 항성 바람 사이의 유체역학적 상호작용을 조사한다.
• 궤도 평면의 방향을 규명하여 제트의 진동과 제트 형상의 비대칭성을 이해한다.
• 미래의 구름 운동과 광도 변화 모니터링을 통해 제트 기체 유출 물리학을 해독할 기초를 마련한다.

제안 방법

• 근적외선 파장에서 R 수병자리를 관측하기 위해 고대비 영상 및 편광 측정 기능을 갖춘 적응 광학 장치인 SPHERE/ZIMPOL을 사용하였다.
• 밝은 항성 빛을 억제하고 희미하고 확장된 제트 구조를 드러내기 위해 차별 영상 및 편광 기법을 적용하였다.
• 재결합 시간 스케일을 근거로 하여 Hα 표면 빛의 세기와 광도를 측정하여 전자 밀도를 추정하였다.
• 제트 기반에서 약 5×10⁷ cm⁻³에서부터 300 AU에서 약 3×10⁵ cm⁻³까지 전자 밀도의 반경 방향 변화를 매핑하여 강한 밀도 기울기가 있음을 나타내었다.
• 경사진 날개, 필라멘트, 아치형 구조와 같은 형태적 특징을 분석하여 구름 운동 및 충격 역학을 추론하였다.
• 20년간의 형태 변화를 탐지하기 위해 1991–1992년의 기록된 HST 데이터를 비교 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 R 수병자리의 내부 제트 구름의 물리적 성질(밀도, 크기, 빛의 세기)은 무엇인가?
• RQ2 제트 전역에서 재결합 시간 스케일은 어떻게 변화하며, 광도 변화성과 어떤 의미를 갖는가?
• RQ3 1990년대 초 HST 관측과 비교할 때 관측된 제트 구조의 형태 변화는 무엇에 의해 유도되는가?
• RQ4 제트 기체 유출은 궤도 평면에 수직으로 되어 있으며, 진동이 아치형 구조를 설명할 수 있는가?
• RQ5 Hα 발광 구름은 느린 바람 내의 충격에 의해 자극된 영역인지, 기체 유출 내의 복사 충격인지, 아니면 제트에 따라 끌려오는 밀도 높은 바람 덩어지인가?

주요 결과

• 전자 밀도는 중심 제트 소스에서 약 5×10⁷ cm⁻³에서부터 300 AU에서 약 3×10⁵ cm⁻³로 반경 방향으로 감소하며 강한 밀도 기울기를 나타낸다.
• 재결합 시간 스케일은 중심 소스에서는 일주일 미만, 60 AU 내부의 구름에서는 약 3주, 300 AU 외부의 구름에서는 약 6개월이다.
• Hα 표면 빛의 세기와 광도는 제트 소스에서의 거리와 강하게 반비례하며, 외부로 갈수록 자극 효율이 감소함을 나타낸다.
• 구름의 지름은 소스에서의 거리가 멀어질수록 증가하는 경향이 있으나, 질량에 대한 명확한 경향은 관측되지 않는다.
• 1991–1992년 HST 관측 이후 400 AU 이내에서 제트 형태에 상당한 변화가 있었으며, 높은 역학적 활동을 나타낸다.
• 짧은 재결합 시간 스케일과 제트 소스의 궤도 운동로 인해 제트는 일수에서 수개월의 시간 스케일로 매우 변동성이 크다고 예상된다.