[논문 리뷰] Differential Speckle Polarimetry of Betelgeuse in 2019-2020: the rise is different from the fall

Boris S. Safonov, А. В. Додин외 7명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 11.

Bee Products Chemical Analysis참고 문헌 10인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 2019년 10월부터 2020년 4월까지 차등 스펙클 편광법을 사용해 베텔게우즈를 관측하여, 별의 깊은 밝기 최소값이 시선 방향의 먼지 구름으로 인해 발생했음을 밝혀냈다. 원심성 환경의 편광된 밝기는 어둠컴 단계 동안 일정했지만, 회복 단계 동안 2.1배 증가하여, 구름이 외부로 이동함에 따라 광학적 두께가 감소했음을 시사한다. 밝아짐 단계는 어둠컴 단계의 약 두 배 빠르게 진행되었다.

ABSTRACT

Recently published episodic spectral (Levesque and Massey, 2020) and high angular resolution (Montarges et al, 2020) observations of Betelgeuse suggest that the deep minimum of 2019-2020 was caused by an enhanced dust abundance in the stellar atmosphere. Detailed monitoring of such events may prove useful for constructing consistent physical models of mass loss by evolved stars. For such observations it is fundamentally important to employ methods resolving an inhomogeneous stellar atmosphere. We present the differential speckle polarimetric observations of Betelgeuse at 2.5-m telescope of Caucasian Mountain Observatory of SAI MSU covering the period of 2019-2020 minimum. The observations were secured on 17 dates at wavelengths 465, 550, 625 and 880 nm. The circumstellar reflection nebula with the angular size of $\approx0.1^{\prime\prime}$ was detected for all the dates and at all wavelengths. The morphology of the nebula changed significantly over the observational period. Net polarized brightness of the envelope remained constant until February 2020, while the stellar $V$ band flux decreased 2.5 times. Starting from mid-February 2020, polarized flux of the envelope rose 2.1 times, at the same time the star returned to the pre-minimum state of October 2019. Basing on these data and our low resolution spectrum obtained on 2020-04-06 we confirm a conclusion that the minimum is caused by the formation of a dust cloud located on the line of sight. A quantitative characterisation of this cloud will be possible when the data on its thermal radiation are employed.

연구 동기 및 목표

• 고각해상도 편광법을 사용하여 2019–2020년 베텔게우즈의 이례적인 밝기 최소값의 물리적 원인을 조사하기.
• 어둠컴이 먼지 차폐인지 또는 대기권 온도 변화 때문인지 확인하기.
• 최소값 및 회복 단계 동안 베텔게우즈의 원심성 환경의 형태학적 및 편광된 밝기 변화를 추적하기.
• 비균일한 먼지 분포가 관측된 편광 및 흡수 특성에 미치는 영향 평가하기.
• 적색 초거성에서 질량 손실 및 먼지 형성 모델에 대한 관측적 제약 제공하기.

제안 방법

• 17개의 관측 일자에 대해 카이카시안 산맥 관측소의 2.5m 망원경에 장착된 SPP 장비를 사용하여 차등 스펙클 편광법(DSP)을 적용하였다.
• 이 방법은 스토크스 I, Q, U 분포의 푸리에 변환을 이용하여 수직 편광에서의 볼륨비율 R_Q 및 R_U를 측정한다.
• 비대칭적인 편광된 볼륨 분포에 대한 민감도를 향상시키기 위해 공간 주파수 정규화된 차등 편광 볼륨을 사용하였다.
• Safonov 등(2019b)의 캘리브레이션 절차를 통해 기기 편광 효과를 보정하였다.
• 465, 550, 625, 880 nm에서 관측하여 환경의 다중 파장 분석이 가능하도록 하였다.
• 2020년 4월 6일의 저해상도 스펙트럼을 사용하여 회복 단계의 스펙트럼 해석을 뒷받침하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2019–2020년 베텔게우즈의 밝기 최소값은 먼지 차폐 때문이었는가, 아니면 대기권 온도 변화 때문이었는가?
• RQ2 어둠컴 및 회복 단계 동안 베텔게우즈의 원심성 환경의 형태학적 및 편광된 밝기 변화는 어떻게 진행되었는가?
• RQ3 stellar flux가 2.5배 감소한 동안에도 순 편광도가 일정하게 유지된 이유는 무엇인가?
• RQ4 왜 환경의 남반구가 최소값 이전에는 어두웠고, 회복 기간 동안 밝아졌는가?
• RQ5 먼지 구름의 광학적 두께는 시간이 지남에 따라 어떻게 변화하는가? 이는 먼지 형성 및 방출 메커니즘에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 모든 관측 파장 및 일자에서 약 1 R*에서 원심성 환경이 밀도가 높고 편광된 구조로 감지되었다.
• 2019년 10월부터 2020년 2월까지는 별의 V-대역 광도가 2.5배 감소했음에도 불구하고, 환경의 순 편광된 밝기는 일정했다.
• 2020년 2월 중순부터 별의 회복 단계 동안 환경의 편광된 밝기가 2.1배 증가하기 시작했다.
• 회복 단계는 어둠컴 단계보다 약 두 배 빠르게 진행되었으며, 환경의 남반구가 회복 기간 동안 주도적인 역할을 하였다.
• 환경의 비대칭성의 역전은 먼지 구름이 외부로 이동하여 자기흡수를 감소시키고 산란된 빛의 출력을 증가시켰음을 시사한다.
• 자료는 최소값이 시선 방향의 먼지 구름으로 인해 발생했으며, 구름의 광학적 두께가 별에서 멀어질수록 감소했다는 모델을 지지한다.