[논문 리뷰] The evolved fast rotator Sargas. Stellar parameters and evolutionary status from VLTI/PIONIER and VLT/UVES

A. Domiciano de Souza, K. Bouchaud외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 23.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 45인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 VLTI/PIONIER 간섭계와 VLT/UVES 분광계를 결합하여, 등각 반경, 질량, 회전 속도, 효율 온도, 기울기 및 회전축 방향을 측정하는 등, 진화한 고속 회전 F형 거성인 Sargas를 특성화한다. 중력 어두움 지수 β ≈ 0.65를 발견하였으며, 이는 물리적으로 더 기본적인 ω-모델과 일치한다. Sargas는 Cepheid 불안정성 밴드의 뜨거운 가장자리 근처에 위치해 있으며, 중력 어두움으로 인해 등각 영역이 불안정하다.

ABSTRACT

Gravity darkening (GD) and flattening are important consequences of stellar rotation. The precise characterization of these effects across the HRD is crucial to a deeper understanding of stellar structure and evolution. We seek to characterize such important effects on Sargas, an evolved, fast-rotating, intermediate-mass star, located in a region of the HRD where they have never been directly measured as far as we know. We use our numerical model CHARRON to analyze interferometric (VLTI/PIONIER) and spectroscopic (VLT/UVES) observations through a MCMC model-fitting procedure. The visibilities and closure phases from the PIONIER data are particularly sensitive to rotational flattening and GD. Adopting the Roche approximation, we investigate two GD models: (1) the beta-model (classical von Zeipel's law), and (2) the omega-model. Using this approach we measure several physical parameters of Sargas, namely, equatorial radius, mass, equatorial rotation velocity, mean Teff, inclination and position angle of the rotation axis, and beta. In particular, we show that the measured beta leads to a surface flux distribution equivalent to the one given by the omega-model. Thanks to our results, we also show that Sargas is most probably located in a rare and interesting region of the H-R diagram: within the Hertzsprung gap and over the hot edge of the instability strip. These results show once more the power of optical/IR long-baseline interferometry, combined with high-resolution spectroscopy, to directly measure fast-rotation effects and stellar parameters, in particular GD. As was the case for a few fast rotators previously studied by interferometry, the omega-model provides a physically more profound description of Sargas' GD, without the need of a beta exponent.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 간섭계 및 분광계 데이터를 이용하여 진화한 고속 회전 중량성인 Sargas의 물리적 매개변수를 정밀하게 측정한다.
• Hertzsprung 갭에 위치한 별에서 두 가지 중력 어두움 모델—β-모델( von Zeipel 유형)과 ω-모델—을 테스트하고 비교한다.
• 이론적 H-R도 궤적에 Sargas를 배치하여 불안정성 밴드에 대한 상대 위치를 평가함으로써 진화 상태를 규명한다.
• 주계열을 초월한 고속 회전( Vsin i ≈ 125 km s⁻¹) 별에서 중력 어두움과 회전에 의한 평탄화의 물리적 의미를 조사한다.
• 이전 이론적 연구에서 제안한 바와 같이, ad hoc한 β 지수를 필요로 하지 않는 ω-모델이 이종의 진화한 고속 회전 별에 대해 관측된 중력 어두움을 더 물리적으로 일관되게 기술할 수 있는가 평가한다.

제안 방법

• Roche 근사에 기반하여 Sargas의 별 구조를 모델링하기 위해 CHARRON 수치 코드를 사용하며, 회전에 의한 평탄화와 중력 어두움을 포함한다.
• 관측된 PIONIER 볼륨 및 클로처 위상에 적합하기 위해 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 피팅 절차를 적용한다. 이는 회전에 의한 평탄화와 중력 어두움에 민감하다.
• β-모델은 T_eff ∝ g_eff^β를 가정하며, β는 자유 매개변수이다. 반면 ω-모델은 복사율이 효율 중력과 반대 방향임을 가정하여 물리적으로 타당한 대안을 제공한다.
• 고해상도 VLT/UVES 스펙트럼을 이용하여 평균 효율 온도와 도플러 속도를 유도함으로써 별 질량과 기울기를 제약한다.
• Georgy 등(2013)이 제시한 제네바 그룹의 이론적 진화 궤적을 사용하여 유도된 매개변수를 바탕으로 연령과 진화 단계를 추정한다.
• 반경과 효율 온도의 불확도를 고려하여 H-R도 위치를 정밀화하고 오차 영역(점선 사각형)을 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Sargas에 대한 중력 어두움 지수 β의 정밀한 값은 무엇이며, 이는 β-모델보다 물리적으로 더 타당한 ω-모델을 지지하는가?
• RQ2 Sargas는 Hertzsprung-Russell도에서 어디에 위치해 있으며, 그 위치는 진화 상태에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ3 Sargas는 Cepheid 불안정성 밴드의 뜨거운 가장자리 근처에 위치해 있는가? 중력 어두움은 등각 영역과 극 영역의 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 간섭계 및 분광계 데이터가 이 진화한 고속 회전 거성의 별 매개변수를 어떻게 공동으로 제약하는가?
• RQ5 이전 이론적 연구에서 제안한 바와 같이, ω-모델은 관측된 중력 어두움을 ad hoc한 β 지수 없이도 Sargas에 대해 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 측정된 중력 어두움 지수 β ≈ 0.65는 ω-모델과 등가인 표면 복사율 분포를 나타내며, 이는 ω-모델이 Sargas에 대해 중력 어두움을 더 물리적으로 일관되게 기술한다는 것을 의미한다.
• Sargas는 등각 반경 R_eq ≈ 10.7 R_sun, 질량 M ≈ 5.0 M_sun, 등각 회전 속도 V_eq ≈ 180 km s⁻¹, 기울기 i ≈ 70°, 회전축 방향각 PA_rot ≈ 130°를 가진다.
• 이 별은 Hertzsprung 갭에 위치해 있으며, 얇은 껍질 연소 단계에 있으며, Schönberg-Chandrasekhar 한계에 도달한 지 약 0.1 Myr 후의 상태로 추정된다.
• 중력 어두움으로 인해 Sargas의 등각 영역은 Cepheid 불안정성 밴드 내부에 위치하고, 극 영역은 외부에 위치하여, 혼합된 안정성 특성을 지닌 흔치 않은 시스템이다.
• 광학 간섭계와 고해상도 분광계의 조합은 진화한 중량성 별에서 고속 회전 효과를 성공적으로 측정하였으며, 이는 H-R도의 새로운 영역에서 이 방법의 타당성을 검증한 것이다.
• 결과는 ω-모델이 관측과 일치할 뿐 아니라, 이 별 유형에 대해 β-모델보다 더 물리적으로 타당한 기초를 지닌다는 것을 확인하였으며, 향후 별 모델링에서의 활용을 지지한다.