[論文レビュー] VLTI-GRAVITY measurements of cool evolved stars: I. Variable photosphere and extended atmosphere of the Mira star R Peg

M. Wittkowski, Gioia Rau+8 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 34被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、VLTI-GRAVITY分光干渉計を用いて、Mira星R Pegの可視光曲線と反比例する変動する光球面および拡張した大気を4回のエポックで測定した。近連続域半径と可視光曲線の間には反比例関係が認められ、14%の振幅変動を示し、動的モデルの予測と整合的だが、CODEXモデルの推定値より小さい。また、水蒸気とCO分子層の挙動に顕著な違いが明らかになった。

ABSTRACT

Dynamic model atmospheres of Mira stars predict variabilities in the photospheric radius and in atmospheric molecular layers which are not yet strongly constrained by observations. Here we measure the variability of the oxygen-rich Mira star R Peg. We used K band spectro-interferometry with a spectral resolution of about 4000 obtained at four epochs between post-maximum and minimum visual phases employing the newly available GRAVITY beam combiner at the VLTI. Our observations show a continuum radius that is anti-correlated with the visual lightcurve. Uniform disc (UD) angular diameters at a near-continuum wavelength of 2.25 mu are steadily increasing with values of 8.7 mas, 9.4 mas, 9.8 mas, and 9.9 mas at visual phases of 0.15, 0.36, 0,45, 0.53, respectively. UD diameters at a bandpass around 2.05 mu, dominated by water vapour, follow the near-continuum variability at larger UD diameters. UD diameters at the CO 2-0 bandhead, instead, are correlated with the visual lightcurve and anti-correlated with the near-continuum UD diameters. The observed anti-correlation between continuum radius and visual lightcurve is consistent with an earlier study of the oxygen-rich Mira S Lac, and with recent 1D CODEX dynamic model atmosphere predictions. The amplitude of the variation is comparable to the earlier observations of S Lac, and smaller than predicted by CODEX models. The wavelength-dependent visibility variations at our epochs can be reproduced by a set of CODEX models at model phases between 0.3 and 0.6. The anti-correlation of water vapour and CO contributions at our epochs suggests that these molecules undergo different processes along the stellar cycle. The newly available GRAVITY instrument is suited to conducting longer time series observations, which are needed to provide strong constraints on the model-predicted intra- and inter-cycle variability.

研究の動機と目的

• 酸素を豊富に含むMira星R Pegにおける光球面半径および拡張した分子層の変動を調査すること。
• 高精度干渉計観測を用いて、1次元動的モデル大気（CODEX）および3次元放射圧力学（CO5BOLD）モデルの予測を検証すること。
• 連続域、水蒸気、CO分子バンドのサイズと可視光曲線との間の位相差を特定すること。
• GRAVITY機器が、進化した星における高精度な時系列干渉計観測を可能にする能力を評価すること。

提案手法

• VLT干渉計のGRAVITYビームコンビナーを用い、スペクトル分解能約4000の複数エポックにわたる近赤外Kバンド分光干渉計観測を実施した。
• 可視光の最大光度後から最小光度までの間、4つの位相（可視光位相0.15～0.53）でR Pegを観測した。
• 2.25 µm（近連続域）、2.05 µm（水蒸気支配域）、およびCO（2-0）バンドヘッド（2.3 µm）における均一円盤（UD）角直径を測定した。
• 1次元CODEX動的モデル大気および3次元CO5BOLDシミュレーションの予測と、観測された可視度スペクトルおよび波長依存の直径変動を比較した。
• モデルの連続域直径を自由パラメータとして扱い、モデルの振幅を調整して観測された変動に一致させ、位相0.3～0.6のモデルを選択した。
• 全エポックにわたる合成可視度スペクトルと観測スペクトルの比較を通じて、モデルの適合度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 R Pegの光球面半径は、脈動周期中にどのように変化するか。また、動的モデルの予測通り、可視光の明るさと反比例するか。
• RQ2 分子層（H₂OおよびCO）のサイズは連続域サイズや可視光曲線と比べてどうか。また、それらの位相差は大気の力学的挙動をどのように示唆するか。
• RQ3 1次元CODEX動的モデル大気は、観測された波長依存の可視度変動および直径振幅をどの程度再現できるか。
• RQ4 3次元放射圧力学（CO5BOLD）モデルの予測と、半径変動の不規則性および振幅に関して、観測結果はどの程度一致するか。
• RQ5 GRAVITY機器は、進化した星の周期内および周期間の変動を制約するのに十分な高精度な時系列干渉計観測を可能にするか。

主な発見

• R Pegの近連続域均一円盤（UD）角直径は、位相0.15で8.7 ± 0.1 masから、位相0.53で9.9 ± 0.1 masへと徐々に増加し、可視光曲線と反比例した。
• 水蒸気支配帯域（2.05 µm）のUD直径は10.7～11.7 masと大きく、可視光曲線と反比例しており、明るさ最小時に光球面が拡張していることを示唆した。
• CO（2-0）バンドヘッドの直径（12.3～11.7 mas）は可視光曲線と相関し、近連続域直径とは反比例しており、大気応答が異なることを示した。
• 近連続域直径の観測振幅（14%）は、S Lac（19%）と同等の大きさであるが、CODEXモデルの予測（45–67%）よりは小さい。
• 位相0.3～0.6のCODEXモデル群は、観測された波長依存の可視度スペクトルおよびエポック間の変化を良好に再現した。
• 3次元CO5BOLDモデルは、最大14%までの不規則な半径および放射度変動を示し、CODEXモデルよりも観測されたR Pegの変動とよりよく一致したが、直接比較するにはより密度の高い位相サンプリングが必要であった。