[논문 리뷰] The convective photosphere of the red supergiant CE Tau. I. VLTI/PIONIER H-band interferometric imaging

M. Montargès, Ryan Norris외 4명|Lirias|2018. 02. 16.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 47인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 VLTI/PIONIER를 사용하여 적색 초거성 CE Tau의 처음으로 고해상도 H-대역 간섭계 영상을 제시하며, 한 달 동안의 변화가 거의 없는 저대비의 대류 구조(5–6% 대비)를 포함한 광구 표면을 드러낸다. 이러한 결과는 CE Tau가 조용한 대류 단계에 있을 수 있거나, 시뮬레이션보다 온도가 높아 대비가 억제될 수 있음을 시사하며, 현재의 적색 초거성에 대한 3D 복사역학유체역학 모델에 도전한다.

ABSTRACT

Context. Red supergiant stars are one of the latest stages in the evolution of massive stars. Their photospheric convection may play an important role in the launching mechanism of their mass loss; however, its characteristics and dynamics are still poorly constrained. Aims. By observing red supergiant stars with near infrared interferometry at different epochs, we expect to reveal the evolution of bright convective features on their stellar surface. Methods. We observed the M2Iab-Ib red supergiant star CE Tau with the VLTI/PIONIER instrument in the H band at two different epochs separated by one month. Results. We derive the angular diameter of the star and basic stellar parameters, and reconstruct two reliable images of its H-band photosphere. The contrast of the convective pattern of the reconstructed images is $5 \pm 1 \%$ and $6 \pm 1 \%$ for our two epochs of observation. Conclusions. The stellar photosphere shows few changes between the two epochs. The contrast of the convective pattern is below the average contrast variations obtained on 30 randomly chosen snapshots of the best matching 3D radiative hydrodynamics simulation: $23 \pm 1~\%$ for the original simulation images and $16 \pm 1~\%$ for the maps degraded to the reconstruction resolution. We offer two hypotheses to explain this observation. CE Tau may be experiencing a quiet convective activity episode or it could be a consequence of its warmer effective temperature (hence its smaller radius) compared to the simulation.

연구 동기 및 목표

• 근적외선 간섭계를 사용하여 M2Iab-Ib 적색 초거성 CE Tau의 광구 표면을 고각해상도로 영상화하기.
• 일개월 간격의 기간 동안 별 표면의 대류 구조의 시간적 변화를 조사하기.
• 관측된 광구 특징을 3D 복사역학유체역학(RHD) 시뮬레이션과 비교하여 모델의 타당성을 평가하기.
• 업데이트된 간섭계 및 광도 데이터를 활용하여 별의 파arms(각지름, 질량, 연령)를 정밀화하기.
• 관측된 대비 수준이 적색 초거성의 질량 손실 메커니즘에 미치는 영향을 탐색하기.

제안 방법

• VLTI/PIONIER 장치를 사용하여 CE Tau의 이중에포크 H-대역 간섭계 관측을 일개월 간격으로 실시하였다.
• 모델에 의존하지 않는 영상 복원 기법을 적용하여 별의 광구 표면에 대한 신뢰할 수 있는 강도 지도를 생성하였다.
• 전통적인 점무늬 모델과 3D RHD 시뮬레이션을 사용하여 복원된 영상과 비교하고 대류 패턴의 대비를 평가하였다.
• 기록된 각지름을 고전적 광도 측정 자료와 교정하여 진화 모델을 통해 업데이트된 별의 파arms를 유도하였다.
• 반경 방향 컷 분석을 적용하여 별 디스크 전반의 대비 변화를 평가하고, 가장자리 어두움 효과를 분석하였다.
• 직접 비교가 가능하도록 시뮬레이션 스냅샷을 관측 결과와 일치시키기 위해 자전 각도와 별의 파arms를 매칭시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CE Tau의 광구 표면에서 H-대역에서의 대류 구조의 공간적 형태와 대비는 어떠한가?
• RQ2 관측된 대류 패턴은 일개월 간격 동안 어떻게 변화하는가?
• RQ3 관측된 대류 특징의 대비는 3D 복사역학유체역학 시뮬레이션의 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 관측된 대비와 시뮬레이션된 대비 사이의 격차는 무엇이 원인인가—이는 별의 온도 또는 활동 상태 때문일 수 있는가?
• RQ5 관측된 특징들이 적색 초거성의 대류 기반 질량 손실 메커니즘을 얼마나 지지하거나 도전하는가?

주요 결과

• CE Tau의 각지름은 1.85 ± 0.02 mas로 정밀화되었으며, 이는 질량(16.5 ± 1.5 M☉)과 연령(11.5 ± 0.5 Myr)을 포함한 업데이트된 별의 파arms를 가능하게 하였다.
• CE Tau의 광구 표면에 대해 두 개의 신뢰할 수 있는 H-대역 영상이 복원되었으며, 두 에포크에서 각각 5 ± 1% 및 6 ± 1%의 대류 대비를 보였다.
• 관측된 대비는 최적의 3D RHD 시뮬레이션보다 유의미하게 낮았다(원본 영상의 경우 23 ± 1%, 해상도 저하 후 16 ± 1%).
• 관측 결과에서 대비가 디스크 가장자리 쪽으로 증가하는 경향을 보였으며, 이는 표면 비균일성 또는 잔류 가장자리 어두움 효과 때문일 수 있다.
• 반면 시뮬레이션은 중심에서 가장자리로 갈수록 대비가 감소하는 경향을 보이며, 관측된 것보다 중심에 더 집중된 비균일성이 있음을 시사한다.
• 낮은 관측 대비 수준은 CE Tau가 조용한 대류 단계에 있을 수 있거나, 시뮬레이션보다 온도가 높아 대류 대비가 감소할 수 있음을 시사한다.