[논문 리뷰] The enigmatic nature of the circumstellar envelope and bow shock surrounding Betelgeuse as revealed by Herschel. I. Evidence of clumps, multiple arcs, and a linear bar-like structure

L. Decin, N. L. J. Cox외 14명|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 19.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 87인용 수 54

한 줄 요약

헤르슐 우주망원경 데이터를 사용하여 이 연구는 베텔게우즈의 원환성 화성대와 버드 샤크에 복잡하고 비균일한 구조를 밝혀내었으며, 약 6–7′ 부근에 여러 개의 아치와 약 9′ 부근에 선형 바 형태의 구조가 있으며, 대규모 불안정성은 관측되지 않았다. 유체역학적 시뮬레이션은 덩어리진 질량 손실과 따뜻한 간성간 매질(은하 자기장의 영향을 받을 가능성 있음)이 형태를 설명하며, 먼지 온도는 40–140 K이며, 밝기 변화로부터 약 32,000년 전에 핵심 밀도 변화가 유추된다.

ABSTRACT

Context. The interaction between stellar winds and the interstellar medium (ISM) can create complex bow shocks. The photometers on board the Herschel Space Observatory are ideally suited to studying the morphologies of these bow shocks. Aims. We aim to study the circumstellar environment and wind-ISM interaction of the nearest red supergiant, Betelgeuse. Methods. Herschel PACS images at 70, 100, and 160 micron and SPIRE images at 250, 350, and 500 micron were obtained by scanning the region around Betelgeuse. These data were complemented with ultraviolet GALEX data, near-infrared WISE data, and radio 21 cm GALFA-HI data. The observational properties of the bow shock structure were deduced from the data and compared with hydrodynamical simulations. Results. The infrared Herschel images of the environment around Betelgeuse are spectacular, showing the occurrence of multiple arcs at 6-7 arcmin from the central target and the presence of a linear bar at 9 arcmin. Remarkably, no large-scale instabilities are seen in the outer arcs and linear bar. The dust temperature in the outer arcs varies between 40 and 140 K, with the linear bar having the same colour temperature as the arcs. The inner envelope shows clear evidence of a non-homogeneous clumpy structure (beyond 15 arcsec), probably related to the giant convection cells of the outer atmosphere. The non-homogeneous distribution of the material even persists until the collision with the ISM. A strong variation in brightness of the inner clumps at a radius of 2 arcmin suggests a drastic change in mean gas and dust density some 32 000 yr ago. Using hydrodynamical simulations, we try to explain the observed morphology of the bow shock around Betelgeuse. Conclusions: [abbreviated]

연구 동기 및 목표

• 고해상도 적외선 원거리 데이터를 활용하여 베텔게우즈의 원환성 화성대와 버드 샤크의 형태학적 및 물리적 구조를 조사하는 것.
• 대규모 불안정성이 없는 관측된 다중 아치 및 선형 바 형태의 기원을 이해하는 것.
• 비균일한 질량 손실과 은하간 매질 조건이 관측된 형태를 설명할 수 있는지 판단하는 것.
• 은하 자기장과 은하간 매질 온도가 버드 샤크 구조 형성에 미치는 역할을 시험하는 것.
• 내부 덩어리의 밝기 변화로부터 과거 질량 손실 변화를 추론하는 것.

제안 방법

• 원환성 환경의 먼지에서 발생하는 열복사 영역을 맵핑하기 위해 헤르슐 PACS 및 SPIRE 이미지를 70, 100, 160, 250, 350, 500 μm에서 확보하였다.
• 구조를 교차 확인하고 물리 조건을 제약하기 위해 GALEX(자외선), WISE(근적외선), GALFA-HI(라디오 21 cm) 관측자료와 데이터를 융합하였다.
• 2차원 구형 격자와 적응형 메쉬 구역 강화(최대 2,560 × 1,280 셀)를 사용하여 풍속-은하간 매질 상호작용을 모델링하기 위해 유체역학적 시뮬레이션을 수행하였다.
• 기체-먼지 충돌에 대한 변동하는 부착 계수를 온도 기반으로 사용하였으며, $\alpha_T = 0.1 + 0.35\,e^{-\sqrt{(T_g+T_d)/500}}$로 정의하였고, 시뮬레이션 안정화를 위해 복사 냉각은 100,000년 이후에만 포함시켰다.
• 차가운(100 K) 및 따뜻한(8,000 K) 주변 은하간 매질 조건, 다양한 질량 손실률, 높은 항성 속도, 큰 먼지 입자(100 nm)를 사용하여 형태학적 결과를 시험하는 시나리오를 시뮬레이션하였다.
• 관측된 특징, 특히 선형 바와 다중 아치와의 비교를 위해 시뮬레이션된 먼지 및 기체 밀도 구조를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 불안정성이 없는 베텔게우즈의 버드 샤크에서 관측된 다중 아치와 선형 바 형태의 기원은 무엇인가?
• RQ2 베텔게우즈의 비균일한 질량 손실은 그의 원환성 화성대와 버드 샤크의 형태학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 은하간 매질의 온도가 풍속-은하간 매질 인터페이스에서 불안정성의 발달에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 은하 자기장 또는 먼지 입자 특성이 관측된 강한 불안정성이 없는 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ5 ~2′ 부근의 내부 덩어리에서의 밝기 변화는 약 32,000년 전에 평균 기체 및 먼지 밀도의 급격한 변화를 어떻게 암시하는가?

주요 결과

• 헤르슐 이미지에서는 베텔게우즈에서 약 6–7′ 부근에 여러 개의 아치와 약 9′ 부근에 선형 바가 관측되었으며, 이러한 외곽 구조에는 대규모 불안정성이 없었다.
• 외곽 아치의 먼지 온도는 40 K에서 140 K 사이이며, 선형 바의 색온도는 아치와 동일하여 유사한 열 조건을 나타낸다.
• 내부 화성대에서는 15″를 초과하는 영역에서 덩어리지고 비균일한 구조를 보이며, 이는 베텔게우즈의 외부 대기에서 거대한 대류 세포의 영향일 가능성이 있다.
• ~2′ 부근의 내부 덩어리에서의 급격한 밝기 변화는 약 32,000년 전에 평균 기체 및 먼지 밀도의 극적인 변화가 있었음을 암시한다.
• 유체역학적 시뮬레이션은 따뜻한 은하간 매질(예: 8,000 K) 또는 더 높은 충격 풍속 온도가 강한 불안정성을 억제함으로써 관측된 난류 부족 현상을 설명한다.
• 선형 바는 항성 풍속의 특성이 아니라 은하간 매질의 구조로, 베텔게우즈에 의해 조명된 것으로 보이며, 비균일한 질량 손실 과정과 자기장 영향과 일치하는 형태학적 특성을 띤다.