[論文レビュー] Radiative hydrodynamics simulations of red supergiant stars: II. simulations of convection on Betelgeuse match interferometric observations

A. Chiavassa, X. Haubois+5 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Mar 6, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 31被引用数 72

ひとこと要約

本研究では、CO5BOLDコードを用いた3次元放射熱力学シミュレーションを用い、オリオン座ベテルギウスの対流をモデル化し、可視光からHバンドにかけての多波長観測データと照合する合成干渉測定可視度曲線および閉合位相を比較した。本研究は、ベテルギウス表面に粒状構造が存在することを強く裏付け、小〜中規模（5–15 mas）および大規模（約30 mas）の対流セルを特定した。水分子（H2O）は、最初の可視度ノードおよび小規模構造の形状を支配的役割で決定している。

ABSTRACT

Context. The red supergiant (RSG) Betelgeuse is an irregular variable star. Convection may play an important role in understanding this variability. Interferometric observations can be interpreted using sophisticated simulations of stellar convection. Aims. We compare the visibility curves and closure phases obtained from our 3D simulation of RSG convection with CO5BOLD to various interferometric observations of Betelgeuse from the optical to the H band in order to characterize and measure the convection pattern on this star. Methods. We use 3D radiative-hydrodynamics (RHD) simulation to compute intensity maps in different filters and we thus derive interferometric observables using the post-processing radiative transfer code OPTIM3D. The synthetic visibility curves and closure phases are compared to observations. Results. We provide a robust detection of the granulation pattern on the surface of Betelgeuse in the optical and in the H band based on excellent fits to the observed visibility points and closure phases. Moreover, we determine that the Betelgeuse surface in the H band is covered by small to medium scale (5-15 mas) convection-related surface structures and a large (30 mas) convective cell. In this spectral region, H2O molecules are the main absorbers and contribute to the small structures and to the position of the first null of the visibility curve (i.e. the apparent stellar radius).

研究の動機と目的

• 3次元放射熱力学（RHD）シミュレーションが、可視光および近赤外域の波長範囲でオリオン座ベテルギウスの干渉測定観測を再現できるかどうかを検証すること。
• 対流が表面非均一性および干渉測定可視度曲線および閉合位相をどのように形作るかを調査すること。
• 観測された可視度特徴および見かけの星の半径に寄与する分子吸収体（特にH2O、CO、CN）の寄与を評価すること。
• 複数の機器からの高分解能データと合成観測量を比較することで、RHDシミュレーションの現実性を検証すること。
• 現在のモデルの限界を特定し、特に非灰色吸収率および放射力の取り扱いに関する今後の改善を導くこと。

提案手法

• 赤超巨星の対流をモデル化するために、CO5BOLDコードを用いた3次元放射熱力学（RHD）シミュレーションを実施した。
• RHDシミュレーション出力から、複数のフィルタ（可視光からHバンド）を用いて合成強度マップを生成した。
• 強度マップから合成可視度曲線および閉合位相を計算するために、後処理放射移動コードOPTIM3Dを適用した。
• 合成干渉測定観測量を、WHT、COAST、VLT/NACO、VLTI/AMBERなど複数の機器からの観測データと直接比較した。
• 先行研究で用いられたパラメトリックモデル（例：スポット付き円形ディスク）を、シミュレーション結果との定性的比較のベンチマークとして用いた。
• スペクトルバンド効果を検討することで、分子吸収体（TiO、H2O、CO、CN）が可視度曲線の形状および表面コントラストに与える影響を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元RHDシミュレーションは、可視光およびHバンドで観測されたオリオン座ベテルギウスの可視度曲線および閉合位相を再現できるか？
• RQ2 干渉測定データから推定されるオリオン座ベテルギウス表面の対流構造の空間スケールおよび形状は何か？
• RQ3 H2O、CO、TiOなどの分子吸収体が、可視度曲線の最初のノードおよび見かけの星の半径にどのように影響を与えるか？
• RQ4 表面の明るさ変動（例：高温スポット）が、他の現象ではなく対流ダイナミクスに起因する程度はどの程度か？
• RQ5 観測とよりよく一致させるために、非灰色吸収率や放射力の取り扱いを含む、シミュレーション物理のどの点を改善する必要があるか？

主な発見

• 3次元RHDシミュレーションは、合成観測と観測データの両方の可視度曲線および閉合位相に非常に良好な一致を示し、オリオン座ベテルギウス表面に粒状構造が存在することを強く裏付けた。
• Hバンドでは、表面が小〜中規模の粒状構造（5–15 mas）および直径約30 masの大きな対流セルで覆われている。
• Hバンドでは、H2O分子が支配的な吸収体であり、最初の可視度ノードの位置（見かけの星の半径を定義する）を主に決定している。
• 可視光領域では、明るい領域と暗い領域の間で表面輝度対比が最大50倍に達し、TiOを豊富に含む層での衝撃波および非軸対称振動がその原因である。
• シミュレーションでは、分子吸収（特にTiO）が表面コントラストを増幅しており、灰色吸収率を仮定した現在のモデルではこの効果が低く見積もられていることが示された。
• 非灰色吸収率および放射力の導入が、今後のモデルで観測とよりよく一致するようになると予想され、特にTiOバンド領域で顕著である。