[논문 리뷰] The close circumstellar environment of Betelgeuse. IV. VLTI/PIONIER interferometric monitoring of the photosphere

M. Montargès, P. Kervella외 10명|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|2016. 02. 16.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 24

한 줄 요약

이 연구는 2012년에서 2014년 사이에 VLTI/PIONIER 간섭계를 사용하여 베텔게우즈의 광구를 모니터링하여 약 한 개의 항성 반지름 정도의 너비를 가진 크고 지속적인 열점이 있음을 밝혀냈다. 이 열점의 비대칭적인 밝기 분포는 대류 패턴을 왜곡시키며, 현재의 3차원 복사역학유체역학 시뮬레이션으로는 재현되지 않는데, 이는 적색 초거리에서 질량 손실을 유도하는 데 핵심적인 역할을 할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Context. The mass-loss mechanism of cool massive evolved stars is poorly understood. The proximity of Betelgeuse makes it an appealing target to study its atmosphere, map the shape of its envelope, and follow the structure of its wind from the photosphere out to the interstellar medium. Aims. A link is suspected between the powerful convective motions in Betelgeuse and its mass loss. We aim to constrain the spatial structure and temporal evolution of the convective pattern on the photosphere and to search for evidence of this link. Methods. We report new interferometric observations in the infrared H band using the VLTI/PIONIER instrument. We monitored the photosphere of Betelgeuse between 2012 January and 2014 November to look for evolutions that may trigger the outflow. Results. Our interferometric observations at low spatial frequencies are compatible with the presence of a hot spot on the photosphere that has a characteristic width of one stellar radius. It appears to be superposed on the smaller scale convective pattern. In the higher spatial frequency domain, we observe a significant difference between the observations and the predictions of 3D hydrodynamical simulations. Conclusions. We bring new evidence for the presence of a convective pattern in the photosphere of red supergiants. The inferred hot spot is probably the top of a giant convection cell although an asymmetric extension of the star cannot be excluded by these interferometric observations alone. The properties of the observed surface features show a stronger contrast and inhomogeneity as predicted by 3D radiative hydrodynamical simulations. We propose that the large observed feature is modifying the signature of the convective pattern at the surface of the star in a way that simulations cannot reproduce.

연구 동기 및 목표

• 베텔게우즈 광구의 대류 패턴의 공간적 구조와 시간적 변화를 조사하기 위해.
• 대규모 표면 구조가 항성의 질량 손실 메커니즘과 관련이 있는지 확인하기 위해.
• 고각해상도 간섭계 관측 결과와 비교하여 3차원 복사역학유체역학(RHD) 시뮬레이션의 예측을 검증하기 위해.
• 광구 비균일성이 항성의 간섭계 서명을 어떻게 수정하는지 평가하기 위해.
• 비대칭적인 밝기 특징이 적색 초거리에서의 일시적 질량 손실을 유도할 수 있는지 탐구하기 위해.

제안 방법

• 2012년 1월에서 2014년 11월 사이에 적외선 H 대역에서 VLTI/PIONIER 장치를 사용하여 다중 에포크 간섭계 관측을 수행하였다.
• 고각해상도에서 광구 밝기 분포를 재구성하기 위해 가시도 및 클로처 위상 데이터를 분석하였다.
• 간섭계 관측 결과를 설명하기 위해 균일한 테두리 어두움 디스크(LDD) 모델과 가우시안 열점 모델을 결합하여 피팅하였다.
• 적색 초거리 대기의 3차원 복사역학유체역학 시뮬레이션 예측과 관측 데이터를 비교하였다.
• TBL/Narval의 스펙트로폴라리메트릭 데이터를 사용하여 밝기 비균일성의 위치와 변화를 제약하였다.
• 편광 신호 해석에서 발생하는 180° 위치 불확실성을 고려하여 여러 가지 열점 구성 조합을 테스트하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 베텔게우즈 광구 표면의 비균일성의 공간적 구조와 시간적 변화는 어떠한가?
• RQ2 대규모 밝기 특징은 대류 패턴과 비교하여 항성의 간섭계 서명에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 현재의 3차원 RHD 시뮬레이션은 관측된 간섭계 데이터를 어느 정도 재현하는가?
• RQ4 관측된 열점은 적색 초거리에서 질량 손실의 시작과 관련이 있는가?
• RQ5 광구 밝기의 비대칭성은 한 개의 큰 대류 세포 또는 대기 확장에 의해 일어나는가와 일치하는가?

주요 결과

• 간섭계 데이터는 약 한 개의 항성 반지름 정도의 너비를 가진 크고 지속적인 열점이 있으며, 더 작은 척도의 대류 패턴 위에 존재함을 드러냈다.
• 이 열점은 광구에 비대칭적으로 위치한 가우시안 특징으로 가장 잘 설명되며, 별의 디스크를 초월해 빛이 확산되어 관측된 가시도 및 클로저 위상 데이터와 일치한다.
• 관측된 표면 구조는 3차원 복사역학유체역학 시뮬레이션의 예측보다 더 강한 대비와 비균일성을 보였다.
• 고공간 주파수 영역에서 관측 데이터와 3차원 RHD 시뮬레이션 간에 상당한 격차가 있음을 확인하여 현재 모델에 빠진 물리적 요소가 있음을 시사한다.
• 열점의 위치는 시간이 지남에 따라 변화했으며, 2014년 10월에 두 개의 점이 융합된 것으로 관측되었으며, 이는 스펙트로폴라리메트릭 데이터와 일치한다.
• 이와 같은 대규모 구조의 존재는 일시적 질량 손실의 주요 원인일 수 있으며, 이는 이전 연구에서 관측된 덩어리진 원형성 환경을 설명할 수 있을 것으로 제안된다.