[论文解读] Radiative hydrodynamics simulations of red supergiant stars. III. Spectro-photocentric variability, photometric variability, and consequences on Gaia measurements

A. Chiavassa, E. Pasquato+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用 52

一句话总结

本研究利用三维辐射流体动力学模拟量化了红超巨星的光心与光度变化，表明对流颗粒引起的恒星光心运动会引入星动噪声，其标准差约为0.1 AU。这种噪声可使盖亚任务的视差测量精度降低百分之几，尤其对贝德勒吉斯等邻近超巨星影响显著，可能影响数千颗明亮的巨星和超巨星，具体数量取决于大气条件。

ABSTRACT

Context. It has been shown that convection in red supergiant stars gives rise to large granules causing surface inhomogeneities together with shock waves in the photosphere. The resulting motion of the photocenter (on time scales ranging from months to years) could possibly have adverse effects on the parallax determination with Gaia. Aims. We explore the impact of the granulation on the photocentric and photometric variability. We quantify these effects in order to better characterize the error possibly altering the parallax. Methods. We use 3D radiative-hydrodynamics simulations of convection with CO5BOLD and the post-processing radiative transfer code OPTIM3D to compute intensity maps and spectra in the Gaia G band [325-1030 nm]. Results. We provide astrometric and photometric predictions from 3D simulations of RSGs that are used to evaluate the degradation of the astrometric parameters of evolved stars derived by Gaia. We show from RHD simulations that a supergiant like Betelgeuse exhibits a photocentric noise characterised by a standard deviation of the order of 0.1 AU. The number of bright giant and supergiant stars whose Gaia parallaxes will be altered by the photocentric noise ranges from a few tens to several thousandths. The degradation of the astrometric fit due to the presence of this photocentric noise will be noticeable up to about 5 kpc for the brightest supergiants. Moreover, parallaxes of supergiants are affected by a error of the order of a few percents. We show that the photocentric noise, as predicted by the 3D simulation, does account for a substantial part of the supplementary 'cosmic noise' that affects Hipparcos measurements of Betelgeuse and Antares.

研究动机与目标

• 利用三维辐射流体动力学模拟量化由对流颗粒引起的红超巨星光心变化。
• 评估此类变化对盖亚星动测量的影响，特别是视差精度的影响。
• 估算受光心噪声显著影响的明亮巨星和超巨星的数量。
• 评估模拟噪声在多大程度上可解释赫池普斯任务中对参宿四和心大星观测到的“宇宙噪声”。
• 为盖亚任务期间监测关键超巨星光心位移的未来观测策略提供建议。

提出的方法

• 使用CO5BOLD代码对质量为12 M⊙的红超巨星进行三维辐射流体动力学（RHD）模拟，空间分辨率为8.6 R⊙（0.040 AU）。
• 利用OPTIM3D辐射转移代码进行后处理，生成盖亚G波段（325–1030 nm）的强度图和光谱。
• 追踪光心位置随时间的变化，通过标准差计算光心噪声的时变波动。
• 从时序强度图中推导光度变化，并基于噪声振幅与正式误差的相对关系估算视差退化程度。
• 将模拟结果与赫池普斯任务的沿扫描残差进行比较，评估其与观测到的“宇宙噪声”的一致性。
• 测试大气压力标高（HP）和银河消光的影响，以估算受影响恒星数量的不确定性范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 三维RHD模拟预测，由对流颗粒引起的红超巨星光心噪声的振幅是多少？
• RQ2 预计有多少明亮巨星和超巨星的盖亚视差会因这种光心噪声而显著退化？
• RQ3 模拟的光心噪声在多大程度上可解释赫池普斯任务中对参宿四和心大星观测到的“宇宙噪声”？
• RQ4 视差误差如何随恒星距离变化，特别是对邻近超巨星而言？
• RQ5 盖亚数据处理流程能否可靠地区分演化后恒星的真实视差与光心噪声？

主要发现

• 基于三维RHD模拟，类似参宿四的红超巨星的光心噪声标准差约为0.1 AU。
• 类似参宿四的超巨星的盖亚视差可能受到数个百分点的系统性误差影响，对于距离2.5 kpc以内的恒星，误差可高达正式误差的15倍。
• 受影响的明亮巨星和超巨星数量在数十到约4,190颗之间，具体取决于对流胞尺寸与大气压力标高之间关系的不确定性。
• 模拟的光心噪声可解释赫池普斯任务中参宿四和心大星观测到的“宇宙噪声”的相当大一部分，但并非全部，可能由于灰辐射转移近似存在局限性。
• 由于光心噪声导致的星动拟合退化，在最亮的超巨星中可影响至约5 kpc的距离。
• 利用干涉技术监测接近盖亚饱和限（G ≈ 5.6）的超巨星的光心偏差，可能为光心位移关系提供关键约束，理想目标的角直径在2 kpc距离处应接近4 mas。