[논문 리뷰] VLTI-GRAVITY measurements of cool evolved stars: I. Variable photosphere and extended atmosphere of the Mira star R Peg

M. Wittkowski, Gioia Rau외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 14.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 34인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 VLTI-GRAVITY 분광간섭측정을 이용해 Mira 항성 R Peg의 변동하는 표면과 확장된 대기를 네 번의 시점에서 측정한다. 근접 연속체 반지름과 시각적 광도곡선 사이에 반비례 관계를 발견하였으며, 진폭은 14%로, 동역학 모델 예측과 일치하지만 CODEX 모델 추정보다 작으며, 수증기와 CO 분자의 분리된 거동를 규명하였다.

ABSTRACT

Dynamic model atmospheres of Mira stars predict variabilities in the photospheric radius and in atmospheric molecular layers which are not yet strongly constrained by observations. Here we measure the variability of the oxygen-rich Mira star R Peg. We used K band spectro-interferometry with a spectral resolution of about 4000 obtained at four epochs between post-maximum and minimum visual phases employing the newly available GRAVITY beam combiner at the VLTI. Our observations show a continuum radius that is anti-correlated with the visual lightcurve. Uniform disc (UD) angular diameters at a near-continuum wavelength of 2.25 mu are steadily increasing with values of 8.7 mas, 9.4 mas, 9.8 mas, and 9.9 mas at visual phases of 0.15, 0.36, 0,45, 0.53, respectively. UD diameters at a bandpass around 2.05 mu, dominated by water vapour, follow the near-continuum variability at larger UD diameters. UD diameters at the CO 2-0 bandhead, instead, are correlated with the visual lightcurve and anti-correlated with the near-continuum UD diameters. The observed anti-correlation between continuum radius and visual lightcurve is consistent with an earlier study of the oxygen-rich Mira S Lac, and with recent 1D CODEX dynamic model atmosphere predictions. The amplitude of the variation is comparable to the earlier observations of S Lac, and smaller than predicted by CODEX models. The wavelength-dependent visibility variations at our epochs can be reproduced by a set of CODEX models at model phases between 0.3 and 0.6. The anti-correlation of water vapour and CO contributions at our epochs suggests that these molecules undergo different processes along the stellar cycle. The newly available GRAVITY instrument is suited to conducting longer time series observations, which are needed to provide strong constraints on the model-predicted intra- and inter-cycle variability.

연구 동기 및 목표

• 산소가 풍부한 Mira 항성 R Peg의 표면 반지름과 확장된 분자층의 변동성을 조사하기 위해.
• 고정밀 간섭측정 관측을 통해 1차원 동역학 모델 대기(CODEX)와 3차원 복사-유체역학(CO5BOLD) 모델의 예측을 검증하기 위해.
• 연속체, 수증기, CO 분자 밴드 크기의 시각적 광도곡선에 대한 위상 지연을 결정하기 위해.
• 새로운 GRAVITY 기구가 진화한 항성의 고정밀 시계열 간섭측정을 수행할 수 있는 능력을 평가하기 위해.

제안 방법

• VLT 간섭계의 GRAVITY 빔 결합기로 스펙트럼 해상도 약 4000인 다중시점 근적외선 K밴드 분광간섭측정을 수행하였다.
• 시각적 밝기가 최대 이후에서 최소에 이르는 네 시점에서 R Peg을 관측하였으며, 시각적 위상은 0.15에서 0.53 사이였다.
• 2.25 µm(근접 연속체), 2.05 µm(수증기 지배), CO (2-0) 밴드헤드(2.3 µm)에서 균일디스크(UD) 각지름을 측정하였다.
• 1D CODEX 동역학 모델 대기와 3D CO5BOLD 시뮬레이션의 예측과 관측된 복사수준 스펙트럼과 파장에 따른 지름 변화를 비교하였다.
• 모델 연속체 지름을 자유 매개변수로 간주하여 모델 진폭을 조정하고 관측된 변동성과 일치시키며, 위상 0.3에서 0.6 사이의 모델을 선택하였다.
• 모든 시점에서 합성 복사수준 스펙트럼과 관측 스펙트럼을 비교하여 모델 적합도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 R Peg의 표면 반지름은 펄세이션 주기 동안 어떻게 변동하는가? 그리고 동역학 모델이 예측한 바와 같이 시각적 밝기와 반비례하는가?
• RQ2 분자층(H₂O 및 CO)의 크기는 연속체 크기와 시각적 광도곡선에 비해 어떻게 다른가? 그리고 그 위상 지연은 대기역학에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ3 1D CODEX 동역학 모델 대기는 관측된 파장에 따른 복사수준 변화 및 지름 진폭을 어느 정도 잘 재현하는가?
• RQ4 관측된 변동성은 3차원 복사-유체역학(CO5BOLD) 모델의 예측과 어떻게 비교되는가? 특히 반지름 변동의 비정규성과 진폭 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ5 새로운 GRAVITY 기구는 진화한 항성의 내부 및 주기 간 변동성을 제약하기에 충분한 고정밀 시계열 간섭측정을 가능하게 하는가?

주요 결과

• R Peg의 근접 연속체 균일디스크(UD) 각지름은 위상 0.15에서 8.7 ± 0.1 mas에서 위상 0.53에서 9.9 ± 0.1 mas로 점진적으로 증가하며, 시각적 광도곡선과 반비례한다.
• 수증기 지배 밴드패스(2.05 µm)는 더 큰 UD 지름(10.7–11.7 mas)을 보이며, 시각적 광도곡선과 반비례하며, 밝기 최소기 동안 표면 팽창과 일치한다.
• CO (2-0) 밴드헤드 지름(12.3–11.7 mas)은 시각적 광도곡선과 상관관계가 있으며, 근접 연속체 지름과 반비례하여 다른 대기 반응을 나타낸다.
• 관측된 근접 연속체 지름 변동 진폭(14%)은 S Lac(19%)와 유사하지만, CODEX 모델 예측(45–67%)보다 작다.
• 위상 0.3에서 0.6 사이의 CODEX 모델 세트는 관측된 파장에 따른 복사수준 스펙트럼과 그 시점에 따른 변화에 대해 만족스러운 적합도를 보였다.
• 3D CO5BOLD 모델은 반지름과 빛의 세기 변화가 비정규적이며 진폭이 최대 14%까지 가능함을 보여주며, 관측된 R Peg의 변동성과 CODEX 모델보다 더 가까이 일치하지만, 직접 비교를 위해 더 밀도 높은 위상 샘플링이 필요하다.