[論文レビュー] On the photometric detection of Internal Gravity Waves in upper main-sequence stars I. Methodology and application to CoRoT targets

D. M. Bowman, C. Aerts+9 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Nov 19, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 244被引用数 24

ひとこと要約

本研究では、CoRoTデータを用いて、対流核を有する上主系列星の光度曲線において、内部重力波（IGW）の検出と特徴付けを目的としたベイジアンMCMCフレームワークを開発した。O、B、A、F型星において、共通の低周波数パワー過剰が確認され、周波数スペクトル指数γ ≤ 5であった。これは、質量星におけるIGWの振幅および形状に関する初めてのアンサンブル制約を提供し、IGWが中質量星におけるほぼ均一な回転の原因であることを支持する。

ABSTRACT

Context. Main sequence stars with a convective core are predicted to stochastically excite Internal Gravity Waves (IGWs), which effectively transport angular momentum throughout the stellar interior and explain the observed near-uniform interior rotation rates of intermediate-mass stars. However, there are few detections of IGWs, and fewer still made using photometry, with more detections needed to constrain numerical simulations. Aims. We aim to formalise the detection and characterisation of IGWs in photometric observations of stars born with convective cores (M > 1.5 M$_{\odot}$) and parameterise the low-frequency power excess caused by IGWs. Methods. Using the most recent CoRoT light curves for a sample of O, B, A and F stars, we parameterise the morphology of the flux contribution of IGWs in Fourier space using an MCMC numerical scheme within a Bayesian framework. We compare this to predictions from IGW numerical simulations and investigate how the observed morphology changes as a function of stellar parameters. Results. We demonstrate that a common morphology for the low-frequency power excess is observed in early-type stars observed by CoRoT. Our study shows that a background frequency-dependent source of astrophysical signal is common, which we interpret as IGWs. We provide constraints on the amplitudes of IGWs and the shape of their detected frequency spectrum across a range of mass, which is the first ensemble study of stochastic variability in such a diverse sample of stars. Conclusions. The evidence of a low-frequency power excess across a wide mass range supports the interpretation of IGWs in photometry of O, B, A and F stars. We also discuss the prospects of observing hundreds of massive stars with the Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) in the near future.

研究の動機と目的

• 対流核を有する上主系列星における内部重力波（IGW）の光度計測による検出を形式化すること。
• 光度計測データを用いて、フーリエ空間におけるIGWによって引き起こされる低周波数パワー過剰をパラメータ化すること。
• さまざまな星の質量範囲において、IGWの振幅および周波数スペクトルの形態を制約すること。
• 観測された低周波数過剰が、IGW励起によるものであるか、対流揺らぎや風不安定性によるものであるかを検証すること。
• 今後のTESS観測で数百もの質量星を対象とするための基盤を築くこと。

提案手法

• CoRoT光度曲線のパワースペクトル密度をモデル化するために、ベイジアンMCMC数値スキームが用いられた。
• 低周波数パワー過剰の形態は、指数γを有するべきべき乗則モデルを用いてパラメータ化された。
• この手法は、コア対流およびIGW励起の3次元数値シミュレーションからの予測と観測されたパワースペクトルを比較した。
• 星のパラメータ（質量、年齢、回転）を用いて、理論的モデルの文脈で観測されたIGWの特徴を解釈した。
• 背景ノイズを考慮し、IGW駆動型変動と対流揺らぎその他の天体物理学的信号を区別した。
• このフレームワークは、CoRoTから既知の対流核を有するO、B、A、F型星のサンプルに適用された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 対流核を有する早期型星において、共通の低周波数パワー過剰が観測され、内部重力波（IGW）励起と整合的であるか？
• RQ2 異なる星の質量において、検出された低周波数パワー過剰の周波数スペクトル形態（指数γ）はいかなるものか？
• RQ3 観測されたIGWの振幅およびスペクトル形状は、コア対流の3次元数値シミュレーションの予測とどのように一致するか？
• RQ4 観測されたパワー過剰は、質量の大きなO型星において、対流揺らぎや風駆動不安定性と区別できるか？
• RQ5 観測されたIGW特性は、質量星における角運動量輸送の物理的メカニズムをどの程度制約するか？

主な発見

• O、B、A、F型星において、共通の低周波数パワー過剰が、対流核を有する星で検出され、広範にわたる天体物理学的信号であることが示された。
• 多くの良好に特徴付けられた星において、パワー過剰の周波数スペクトルはべき乗則に従い、指数γ ≤ 5であった。これは理論的IGW予測と整合的であった。
• 観測された形態は対流揺らぎとは整合せず、低周波数信号の主因が表面対流である可能性を排除した。
• パワー過剰の振幅およびスペクトル形状は、HR図全体にわたる背景IGWスペクトルに関する、初めてのアンサンブル制約を提供した。
• 結果は、IGWが中質量星における角運動量輸送の主なメカニズムであるという解釈を支持した。
• 本研究は、TESSによる数百もの質量星の検出に道を拓き、IGW励起および減衰に関するより広範な統計的制約の実現に貢献する。