[논문 리뷰] Envelope tomography of long-period variable stars: I. The Schwarzschild mechanism and the Balmer emission lines

R. Álvarez, A. Jorissen외 3명|arXiv (Cornell University)|2000. 10. 06.

Spectroscopy and Laser Applications참고 문헌 4인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 장주기 변수별 RT Cyg와 X Oph의 대기에서 속도장을 맵핑하기 위해 고주기 스펙트로스코피와 새로운 톰ограф적 기법을 사용한다. 연구는 RT Cyg의 이중 흡수선이 펄서레이션에 의해 유도된 충격파에 의해 발생하며, Schwarzschild 메커니즘에 의해 예측된 바와 같이, 이는 확인된다. 반면 Balmer 발광선은 형성 영역의 단순 공위치와 일치하지 않는 복잡한 속도 구조를 보인다.

ABSTRACT

This paper is the first one in a series devoted to the study of the dynamics of the atmospheres of long-period variable stars. Results from a two-month-long monitoring of the Mira variables RT Cyg and X Oph around maximum light with the ELODIE spectrograph at the Haute-Provence Observatory are presented. The monitoring covers phases 0.80 to 1.16 for RT Cyg and phases 0.83 to 1.04 for X Oph. The cross-correlation profile of the spectrum of RT Cyg with a K0 III mask confirms that the absorption lines of RT Cyg in the optical domain appear double around maximum light. No line doubling was found in the optical spectrum of X Oph around maximum light, indicating that this feature is not common to all long-period variables. This paper also presents the application to RT Cyg of a new tomographic technique deriving the velocity field across the atmosphere by cross-correlating the optical spectrum with numerical masks constructed from synthetic spectra and probing layers of increasing depths. This technique reveals that both the temporal evolution of the line doubling, and its variation with depth in the atmosphere of RT Cyg, are consistent with the ``Schwarzschild scenario''. This scenario relates the temporal evolution of the red and blue peaks of the double absorption lines to the progression of a shock wave in the atmosphere. The temporal evolution of the Balmer Halpha, H beta, Hgamma and Hdelta emission lines around maximum light is also presented for RT Cyg and X Oph. The velocity variations of Halpha and of the absorption lines are discussed in the framework of two competing models for the formation of Balmer emission lines in long-period variable stars.

연구 동기 및 목표

• 장주기 변수(LPV) 별, 특히 Mira 변수에서 이중 흡수선과 Balmer 발광선의 역학적 기원을 조사하기 위해.
• 관측된 복잡한 선형형을 유도하는 원인이 충격파인지 아니면 비- LTE 복사 과정인지 판단하기 위해.
• 충격에 의해 유도된 속도 기울기가 이중 피크 흡수선을 생성하는 것으로 예측된 Schwarzschild 메커니즘의 타당성을 직접 관측적 증거를 통해 검증하기 위해.
• 새로운 톰그래픽 기법을 개발하고 적용하여 별 대기 전반의 3차원 속도 구조를 재구성하기 위해.
• Balmer 발광선(Hα, Hβ, Hγ, Hδ)의 시간적 변화를 흡수선과 비교하여 형성 메커니즘을 제약하기 위해.

제안 방법

• Haute-Provence 관측소의 ELODIE 스펙트로그래프를 사용하여 RT Cyg와 X Oph에 대해 펄서레이션 주기의 20–35% 동안 매일 고해상도 스펙트로스코피를 수행하였다.
• 모델 대기에서 유도된 합성 마스크와 관측 스펙트럼을 교차상관하여 다양한 대기 깊이에서의 속도장을 탐색하였다.
• 주기별로 분리된 교차상관 프로파일을 사용하여 별 디스크 전반의 속도장에 대한 톰그래픽 재구성을 수행하였다.
• Balmer 선형형을 모델링하기 위해 두 가지 경쟁적 시나리오를 사용하였다: (a) 충격면에서 기하학적 이중 발광, (b) 넓은 발광선형형 내에서의 흡수에 의한 자기반전.
• 관측된 선형형을 Schwarzschild 충격 모델과 온도 역전 모델의 예측과 비교하였다.
• 상호위상 고정 관측을 통해 충격파의 전파를 추적하고, 그 운동이 스펙트럼 선 변화와 상관관계가 있는지 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Mira 별에서 이중 흡수선은 Schwarzschild 메커니즘에 의해 예측된 바와 같이 충격파에 의해 유도된 속도 기울기에서 기인하는가?
• RQ2 RT Cyg에서의 선 이중화 시간적 변화는 외부로 퍼지는 충격파의 전파와 일치하는가?
• RQ3 LPV에서의 Balmer 발광선은 흡수선과 같은 충격으로 가열된 영역에서 형성되는가, 아니면 독립적인 비-LTE 과정에 의해 형성되는가?
• RQ4 Hα와 흡수선 속도 사이의 관측된 격차는 확장된 선 형성 영역에 대한 평균화로 설명될 수 있는가?
• RQ5 왜 RT Cyg는 Schwarzschild 시나리오를 보이고 X Oph는 그렇지 않은가? 이는 LPV의 대기역학에 대해 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• RT Cyg의 이중 흡수선은 외부로 퍼지는 충격파에 의해 발생하며, 이는 Schwarzschild 메커니즘에 의해 예측된 시간적 변화와 일치함을 확인하였다.
• 톰그래픽 기법을 통해 RT Cyg 대기에서 충격파의 외부로 퍼지는 운동이 성공적으로 시각화되었으며, 깊이에 따라 다른 속도 구조가 드러났다.
• X Oph에서는 선 이중화가 관측되지 않아, Schwarzschild 시나리오는 Mira 변수 전반에 일반적이지 않으며, 항성 또는 펄서레이션 파rameter에 따라 달라질 수 있음을 시사한다.
• RT Cyg의 Balmer Hα, Hβ, Hγ, Hδ 발광선은 펄서레이션 주기의 35% 동안 복잡한 속도 프로파일을 보이며, Hα는 단일 속도층과 일치하지 않는 이중피크 구조를 나타낸다.
• 관측된 Hα와 흡수선의 속도는 상당히 다름을 보이며, 이는 Hα가 흡수선보다 넓은 영역에서 형성되었을 가능성이 있으며, 평균화 효과가 속도 격차를 설명할 수 있음을 시사한다.
• 관측 데이터는 Balmer 발광에 대해 충격파 모델이 순수 비-LTE 모델보다 더 잘 맞는다는 것을 지지하며, 속도 구조가 복사 과정만으로 설명되는 것보다 충격에 의해 유도된 역학과 더 잘 일치한다.