[論文レビュー] The close circumstellar environment of Betelgeuse - III. SPHERE/ZIMPOL visible polarimetry of the inner envelope and photosphere

P. Kervella, E. Lagadec+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 30

ひとこと要約

SPHERE/ZIMPOLの可視偏光測定を用いて、本研究ではベテルギウスの光球面および内側の周囲物質を2–3個星半径まで解像し、非対称なガスプラウムと~3 R⋆に位置するほどのほどのほこりの殻を検出。この結果、ほこりの散乱と放射力が質量放出を駆動する可能性がある重要な界面が3 R⋆に存在することが示され、赤超巨星の噴流における球対称性の仮定に疑問を呈する。

ABSTRACT

The physical mechanism through which the outgoing material of massive red supergiants is accelerated above the escape velocity is unclear. Thanks to the transparency of its circumstellar envelope, the nearby red supergiant Betelgeuse gives the opportunity to probe the innermost layers of the envelope of a typical red supergiant down to the photosphere, i.e. where the acceleration of the wind is expected to occur. We took advantage of the SPHERE/ZIMPOL adaptive optics imaging polarimeter to resolve the visible photosphere and close envelope of Betelgeuse. We detect an asymmetric gaseous envelope inside a radius of 2 to 3 times the near-infrared photospheric radius of the star (R*), and a significant Halpha emission mostly contained within 3 R*. From the polarimetric signal, we also identify the signature of dust scattering in an asymmetric and incomplete dust shell located at a similar radius. The presence of dust so close to the star may have a significant impact on the wind acceleration through radiative pressure on the grains. The 3 R* radius emerges as a major interface between the hot gaseous and dusty envelopes. The detected asymmetries strengthen previous indications that the mass loss of Betelgeuse is likely tied to the vigorous convective motions in its atmosphere.

研究の動機と目的

• 高解像度可視偏光測定を用いて、ベテルギウスの内側の周囲環境、特に光球面にまでまでを解像する。
• 赤超巨星における質量放出を駆動する物理的メカニズム、特に対流と放射力加速の役割を調査する。
• 内側の物質におけるガス的およびほこり的成分の空間的分布および対称性を特定する。
• ほこりの存在が、放射圧による風の加速に与える影響を評価する。
• 特に風の加速が予想される3 R⋆付近の構造的界面を同定する。

提案手法

• 非常に大きな望遠鏡に搭載された適応光学画像偏光計SPHERE/ZIMPOLを用い、約20 masの解像度を達成し、高いストレール比（約30％）を実現した。
• V、CntHα、NHα、TiO717のフィルタを用いて、可視波長域で同時に二波長観測を実施し、偏光した放射の分布を捉えた。
• 画像の忠実度を向上させ、偏光フラックスマップから半径方向の偏光プロファイルを抽出するために、ルシーのデコンボリューション法を適用した。
• 線形偏光（pL）を用いて、ほこりからの散乱光を特定する診断指標とし、最大偏光が約90°散乱角で観測されたことから、幾何学的に薄く不均一なほこりの殻であると示唆された。
• 点状のPSFキャリブレータ（φ² Ori）を用いたキャリブレーションと、偏光データに標準的なデータ還元パイプラインを適用した。
• アルベドa = 0.1–0.5を仮定し、T_eq = T_eff × √[4]{(1−a)(R⋆/(2R))}の式を用いて、平衡ほこり温度を推定し、ほこりの昇華限界を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半径≤3 R⋆におけるベテルギウスの内側周囲物質におけるガス的およびほこり的成分の空間的構造は何か？
• RQ2 偏光信号の非対称性は、星の対流運動および質量放出プロセスとどのように関係しているか？
• RQ3 ほこりの殻の径方向の広がりと物理的状態は何か？また、光球面に近い位置まで延びているか？
• RQ4 観測された偏光プロファイルは、~3 R⋆に位置する薄く不均一なほこりの殻からの散乱によって説明可能か？
• RQ5 ほこりの粒に対する放射圧が、星風の加速に果たす役割は何か？特に、ほこりが星に近接していることから考える。

主な発見

• 2–3 R⋆以内に非対称なガス的物質が検出され、顕著なHα発光が3 R⋆以内に集中しており、活発な質量放出プロセスが進行中であることが示された。
• ~3 R⋆に位置する不均一な表面密度のほこりの殻が特定され、CntHαフィルタで最大の線形偏光が観測された。これは、約90°の散乱角での散乱と整合的である。
• ほこりの殻の平衡温度は1250–1450 Kと推定され、オリビン系O豊富なほこりの昇華と整合的であるが、正確な組成は不明のままである。
• 3 R⋆の半径は、高温のガス的内側物質とほこりが形成される領域との間の重要な界面として浮き彫りにされ、風の加速に影響を及ぼす可能性がある。
• 観測された偏光プロファイルは、~3 R⋆で最大のpLを示し、この半径でほこりの散乱が偏光信号を支配していることが示唆された。これは、ガスからの強い非偏光Hα発光があるにもかかわらずである。
• ほこりの殻は不完全で非対称的であり、偏光位置角は約60°または240°であり、非球対称な幾何形状が対流プラウムや局所的昇華によって駆動されている可能性がある。