[논문 리뷰] Multitechnique testing of the viscous decretion disk model I. The stable and tenuous disk of the late-type Be star $β$ CMi

Robert Klement, A. C. Carciofi외 11명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 05.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 62인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 베타 시리우스자리의 늦은 유형 Be 항성인 β CMi에 대해 자외선에서 전파에 이르기까지 다중 파장 대역의 종합적 데이터셋을 활용하여 점성 탈착원반(VDD) 모델을 시험한다. 내부 원반은 밀도 프로파일 기울기가 더 급격한(n = 3.5) 것을 요구하는 반면, 확장된 영역은 더 얕은 기울기(n = 3.0)를 선호하며, 이는 알려지지 않은 이중성 연료에 의한 외부 원반의 단절 가능성을 시사한다. 원반은 35⁺¹⁰₋₅ R☉까지 연장되며, 항성은 임계 속도의 W ≳ 0.98 수준으로 회전하고 있다.

ABSTRACT

The viscous decretion disk (VDD) model is able to explain most of the currently observable properties of the circumstellar disks of Be stars. However, more stringent tests, focusing on reproducing multitechnique observations of individual targets via physical modeling, are needed to study the predictions of the VDD model under specific circumstances. In the case of nearby, bright Be star $β$ CMi, these circumstances are a very stable low-density disk and a late-type (B8Ve) central star. The aim is to test the VDD model thoroughly, exploiting the full diagnostic potential of individual types of observations, in particular, to constrain the poorly known structure of the outer disk if possible, and to test truncation effects caused by a possible binary companion using radio observations. We use the Monte Carlo radiative transfer code HDUST to produce model observables, which we compare with a very large set of multitechnique and multiwavelength observations that include ultraviolet and optical spectra, photometry covering the interval between optical and radio wavelengths, optical polarimetry, and optical and near-IR (spectro)interferometry. Due to the absence of large scale variability, data from different epochs can be combined into a single dataset. A parametric VDD model with radial density exponent of $n$ = 3.5, which is the canonical value for isothermal flaring disks, is found to explain observables typically formed in the inner disk, while observables originating in the more extended parts favor a shallower, $n$ = 3.0, density falloff. Modeling of radio observations allowed for the first determination of the physical extent of a Be disk (35$^{+10}_{-5}$ stellar radii), which might be caused by a binary companion. Finally, polarization data allowed for an indirect measurement of the rotation rate of the star, which was found to be $W \gtrsim 0.98$, i.e., very close to critical.

연구 동기 및 목표

• 단일 Be 항성에 대해 종합적이고 다중 파장의 데이터셋에 대해 점성 탈착원반(VDD) 모델을 엄격히 시험하기 위해.
• 특히 구조가 잘 알려지지 않은 외부 영역에서 원환성우의 반경 방향 밀도 프로파일을 제약하기 위해.
• 이중성 연료에 의한 원반의 단절 가능성을 전파 관측을 통해 조사하기 위해.
• 편광 데이터로부터 β CMi의 회전 속도를 유도하고 임계 회전과의 일관성을 시험하기 위해.
• 원반의 물리적 확장을 결정하고 비균일온도 효과가 원반 구조에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 자외선, 가시광선, 적외선 및 전파 파장에서의 관측 가능성을 시뮬레이션하기 위해 HDUST 몬테카를로 복사전달 코드를 사용하였다.
• 반경 방향 밀도 지수 n, 점성계수, 원반 기하학 등 모델 파라미터를 관측된 스펙트럼 에너지 분포(SED), 선형 프로파일, 편광과 일치하도록 조정하였다.
• 고해상도 스펙트로인터퍼메트리(AMBER) 및 밴드폭 간섭측정(NPOI, VLT/AMBER)는 원반 기울기와 크기 제약을 제공하였다.
• 전파 및 마이크로파 복사계측은 외부 원반을 탐색하고 물리적 확장을 추정하는 데 사용되었다.
• 파스chen 연속체에서의 편광 측정을 분석하여 항성의 회전 속도를 추론하였다.
• 약한 Hα V/R 진동 주기와 일치하는 궤도 주기를 가진 이중성 연료에 의한 이론적 단절과 관측된 단절 반경을 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 거듭제곱 법칙 밀도 프로파일을 가진 VDD 모델이 β CMi의 전체 다중 파장 데이터셋을 충분히 재현할 수 있는가?
• RQ2 확장된 파장 관측에 의해 제약을 받는 원환성우의 외부 영역에서의 반경 방향 밀도 구조는 무엇인가?
• RQ3 전파 관측은 Be 원반의 물리적 확장을 감지하고 측정할 수 있으며, 이 확장은 이중성 연료에 의한 단절을 시사하는가?
• RQ4 β CMi의 회전 속도는 무엇이며, 편광 데이터에 따르면 임계 회전에 가까운가?
• RQ5 관측된 밀도 프로파일 변화는 비균일온도 효과에 의해 가장 잘 설명되는가, 아니면 이중성 연료와 같은 외부 교란에 의해 설명되는가?

주요 결과

• 내부 원반의 관측 가능성을 위한 편광 및 고차수 Balmer 선은 기울기가 급격한 반경 방향 밀도 프로파일(n = 3.5)을 요구한다.
• Hα, Brγ 및 중간-장파장 적외선 복사계측을 포함한 확장된 원반 성분은 n = 3.0의 더 얕은 밀도 감쇠를 선호한다.
• 전파 및 마이크로파 관측을 통해 유도된 바에 따르면 원반은 물리적 반경 35⁺¹⁰₋₅ 항성 반지름에서 단절된다.
• 관측된 전파 단절 반경은 Hα의 약한 V/R 진동 주기와 일치하는 궤도 주기를 가진 이중성 연료에 의한 이론적 예측과 일치한다.
• 편광 데이터는 항성이 임계 속도의 W ≳ 0.98 수준으로 회전하고 있음을 시사하며, 이는 임계 회전과 일치한다.
• 중심 항성의 극반지름은 2.8 R☉이며, 빛의 강도는 185 L☉이며, 이는 거의 순수한 대기 스펙트럼을 가진 자외선 스펙트럼에서 유도되었다.