[논문 리뷰] Large-scale environments of binary AGB stars probed by Herschel. II: Two companions interacting with the wind of pi1 Gruis

Andreas Mayer, A. Jorissen외 13명|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 18.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 허셀/PACS 및 기록된 VLTI/AMBER 데이터를 이용해 진화한 AGB 별 π¹ Gruis의 비대칭 원성환경을 조사하며, 이는 밀도가 높은 삼중성계임을 드러낸다: 10년 이내의 궤도를 가진 가까운 연성성계가-dust 기울어진 디스크를 형성하는 반면, 460 au 떨어진 먼지성 G0V 별은 아르키메데스 나선형 바람 패턴을 유도한다. 허셀 영상, 운동량 비정상성, 간섭계 폐쇄 위상의 통합 증거는 별의 질량 손실 막대의 복잡한 형태를 유도하는 삼중성계임을 확인한다.

ABSTRACT

Context. The Mass loss of Evolved StarS (MESS) sample observed with PACS on board the Herschel Space Observatory revealed that several asymptotic giant branch (AGB) stars are surrounded by an asymmetric circumstellar envelope (CSE) whose morphology is most likely caused by the interaction with a stellar companion. The evolution of AGB stars in binary systems plays a crucial role in understanding the formation of asymmetries in planetary nebulæ (PNe), but at present, only a handful of cases are known where the interaction of a companion with the stellar AGB wind is observed. Aims. We probe the environment of the very evolved AGB star $π^1$ Gruis on large and small scales to identify the triggers of the observed asymmetries. Methods. Observations made with Herschel/PACS at 70 $μ$m and 160 $μ$m picture the large-scale environment of $π^1$ Gru. The close surroundings of the star are probed by interferometric observations from the VLTI/AMBER archive. An analysis of the proper motion data of Hipparcos and Tycho-2 together with the Hipparcos Intermediate Astrometric Data help identify the possible cause for the observed asymmetry. Results. The Herschel/PACS images of $π^1$ Gru show an elliptical CSE whose properties agree with those derived from a CO map published in the literature. In addition, an arc east of the star is visible at a distance of $38^{\prime\prime}$ from the primary. This arc is most likely part of an Archimedean spiral caused by an already known G0V companion that is orbiting the primary at a projected distance of 460 au with a period of more than 6200 yr. However, the presence of the elliptical CSE, proper motion variations, and geometric modelling of the VLTI/AMBER observations point towards a third component in the system, with an orbital period shorter than 10 yr, orbiting much closer to the primary than the G0V star.

연구 동기 및 목표

• 진화한 AGB 별 π¹ Gruis 주위에서 관측된 비대칭 원성막대(원성환경, CSE)의 기원을 이해하는 것.
• 관측된 비대칭성이 이중성계 또는 다중성계의 영향인지 규명하는 것.
• 다양한 파장에서의 관측과 천체측위 분석을 통해 알려지지 않은 연성성계의 궤도적 특성과 물리적 성질을 규명하는 것.
• 관측된 나선형 구조와 타원형 CSE가 연성성계와의 바람 상호작용을 설명하는 유체역학 모델로 설명될 수 있는지 검증하는 것.
• 적외선 원거리 영상, 간섭계, 운동량 데이터를 융합하여 원성막대 형태의 기원에 대한 모호함을 해소하는 것.

제안 방법

• 허셀/PACS 영상(70 μm 및 160 μm)을 통해 π¹ Gruis의 광범위한 원성환경을 맵핑하였으며, 타원형 CSE와 먼지성 아치를 드러냈다.
• 간섭계 기반 VLTI/AMBER 관측을 통해 별 주변의 근접 환경을 탐사하였으며, 비대칭성을 나타내는 폐쇄 위상 서명을 검출하였다.
• 히파르코스 및 타이코-2 데이터의 운동량 분석(중간 천체측위 데이터 포함)을 통해 광중심의 궤도 운동을 탐지하였다.
• 연성성계와의 바람 상호작용을 유체역학적으로 모델링하여 관측된 나선형 및 디스크 구조를 재현하였다.
• VLTI/AMBER 데이터의 기하학적 모델링을 통해 잠재적 가까운 연성성계의 궤도적 특성을 제약하였다.
• 허셀 데이터를 기존 CO 맵과 비교하여 CSE의 정렬성과 축비를 확인하였으며, 이는 디스크 모델을 지지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 π¹ Gruis 주위 원성막대의 타원형 형태는 무엇에 의해 발생하는가?
• RQ2 별에서 동쪽 38 arcsec에 위치한 관측된 아치는 알려진 연성성계가 AGB 바람과 중력적으로 상호작용함으로써 설명될 수 있는가?
• RQ3 관측된 비대칭성의 원인이 되는 잠재적 제3의 연성성계의 궤도 주기와 질량은 무엇인가?
• RQ4 π¹ Gruis의 운동량 변화는 알려지지 않은 연성성계 존재와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ5 간섭계 폐쇄 위상과 적외선 원거리 영상의 조합은 시스템 구성의 모호함을 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 허셀/PACS 영상은 크기 72 arcsec × 60 arcsec(11,750 × 9,790 au)의 타원형 원성막대(CSE)를 드러내며, 이는 CO 방출과 정렬되어 있고 천구면에 대해 35° 기울어져 있다.
• π¹ Gruis에서 동쪽 38 arcsec에 위치한 아치는 남동쪽으로 향하는 곡선을 이루며, 알려진 G0V 연성성계(투영 거리 460 au, 궤도 주기 >6,200년)에 의해 유도된 아르키메데스 나선의 일부로 확인되었다.
• 히파르코스 및 타이코-2 데이터의 운동량 분석은 0.5–1.5 M☉의 연성성계가 타원도가 높은 궤도를 도는 것으로 나타났으며, 궤도 주기는 4.6–9.7년으로, 이는 가까운 연성성계의 존재를 시사한다.
• VLTI/AMBER 간섭계 데이터는 로치 루프 모델과 정성적으로 일치하는 폐쇄 위상 서명을 보였으며, 이는 가까운 연성성계의 존재를 지지하지만, 반점이나 플레어와의 모호함은 여전히 존재한다.
• 타원형 CSE와 나선형 아치의 조합은 강력하게 계층적인 삼중성계를 지지한다: 궤도 주기 10년 이내의 가까운 연성성계가 디스크를 형성하고, 먼지성 G0V 별이 나선형 패턴을 유도한다.
• 기타 알려진 G0V 연성성계는 그 거리가 너무 멀어 디스크 형성에 기여할 수 없으며, 이는 윈드 로치 루프 오버플로우(WRLOF)에 의한 바람 집중 이론을 배제한다. 따라서 더 가까운 연성성계의 존재가 확인된다.