[논문 리뷰] Water vapour masers in long-period variable stars II. The semi-regular variables R Crt and RT Vir

J. Brand, D. Engels외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 31.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 45인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 20년 이상의 단일 반도체 관측 및 야행 간섭계 데이터를 활용하여 반정규 변수 항성 R Coronae Australis(R Crt)와 R Sculptoris(RT Vir)에서 22 GHz 수증기 마이저의 장기적 및 단기적 변동성을 조사한다. 장기적 밝기 변동(십년 단위)은 여러 개의 일시적인 마이저 클라우드를 수반하는 밀도가 높고 비균일한 별주변 환경에서 기인하는 것으로 드러났으며, RT Vir의 안정적인 11 km s−1 특징은 외부 셸의 최종 풍속에서 운동을 나타내며, 수십 년에 걸쳐 수명을 가진 국소적 고밀도 구조를 시사한다.

ABSTRACT

Within the 'Medicina/Effelsberg H2O maser monitoring program' we have observed the maser emission of R Crt and RT Vir for more than two decades. To get insight in the distribution and longevity of maser spots in the circumstellar envelopes, we have collected interferometric data, taken in the same period, from the literature. We confirm short-time variations of individual maser features on timescales of months to up to 1.5 years. Also decade-long variations of the general brightness level independent from individual features were seen in both stars. These are due to brightness variations occurring independently from each other in selected velocity ranges, and are independent of the optical lightcurves. Expected drifts in velocity of individual features are usually masked by blending. However, in RT Vir we found an exceptional case of a feature with a constant velocity over 7.5 years (<0.06 km/s/yr). We attribute the long-term brightness variations to the presence of regions with higher-than-average density in the stellar wind, which host several clouds which emit maser radiation on the short time scales. These regions typically need ~20 years to cross the H2O maser shell, where the right conditions to excite H2O masers are present. The constant velocity feature (11 km/s) is likely to come from a single maser cloud, which moved through about half of RT Vir's H2O maser shell without changing velocity. From this we infer that its path was located in the outer part of the H2O maser shell, where RT Vir's stellar wind apparently has already reached its terminal outflow velocity. This conclusion is corroborated by the observation that the highest H2O maser outflow velocity in RT Vir approaches the terminal outflow velocity as given by OH and CO observations. This is generally not observed in other semi-regular variable stars.

연구 동기 및 목표

• 기본적인 별의 별주변 환경에서 H2O 마이저 방출의 기원과 진화를 이해하기 위해.
• 반정규 변수(SRb 유형)에서 마이저 방출의 밝기 변동의 시간스케일과 기원을 조사하기 위해.
• 단일 반도체 스펙트럼 변동성과 간섭계 데이터를 활용한 마이저 점의 공간 분포를 연결하기 위해.
• 마이저 변동성이 중심 항성의 광학적 밝기 곡선과 상관관계가 있는지 여부를 판단하기 위해.
• 별풍의 구조와 밀도 증가가 마이저 방출 패턴을 어떻게 형성하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 20년 이상의 장기적 단일 반도체 관측을 통해 Medicina 및 Effelsberg 전파망원경을 활용한 22 GHz H2O 마이저 방출 모니터링.
• 문헌에서 확보한 간섭계 데이터를 수집·분석하여 R Crt와 RT Vir의 마이저 점의 공간 분포 및 운동학적 특성을 맵핑하기 위해.
• 단일 반도체 밝기 곡선과 간섭계 맵을 교차 상관 분석하여 속도 이동 및 혼합 효과를 규명하기 위해.
• 유속 밀도 및 속도 변화를 추출하기 위해 GILDAS 소프트웨어를 활용한 데이터 감소 및 스펙트럼 분석.
• CO 및 OH 관측에서 유도된 별풍 최종 속도와 마이저 속도 이동을 비교하기 위해.
• 개별 특징에 영향을 받지 않는 장기적 추세를 식별하기 위해 다양한 속도 채널에서의 마이저 밝기 변동에 통계적 분석을 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 개별 스펙트럼 특징과 무관하게 R Crt와 RT Vir에서의 십년에 걸친 H2O 마이저 방출 밝기 변동의 원인은 무엇인가?
• RQ2 월간에서 1.5년에 이르는 단기 마이저 변동은 개별 마이저 클라우드의 역학과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ3 RT Vir의 11 km s−1 특징이 7.5년 동안 속도 이동을 보이지 않는 이유는 무엇이며, 이는 별주변 환경 내 위치에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 마이저 밝기 변동이 중심 항성의 광학적 밝기 곡선과 어느 정도 상관관계가 있는가?
• RQ5 별풍의 비균일성이 관측된 마이저 변동성과 특정 특징의 명백한 장수성을 어떻게 설명할 수 있는가?

주요 결과

• R Crt와 RT Vir에서의 장기적 밝기 변동은 십년 단위의 시간스케일에서 발생하며, 개별 스펙트럼 특징과 무관하게 서로 다른 속도 범위에서의 독립적인 밝기 변화에 의해 유도되며, 광학적 밝기 곡선과 상관관계가 없다.
• 월간에서 1.5년에 이르는 단기 마이저 변동은 개별 마이저 클라우드의 일시적 등장과 붕괴에 기인한다.
• RT Vir의 11 km s−1 특징은 7.5년 동안 속도 이동이 없었으며(< 0.06 km s−1 yr−1), 이는 외부 셸의 최종 풍속에서 운동하는 단일 안정적 마이저 클라우드에서 기인함을 시사한다.
• 장수 특징의 존재는 여러 개의 일시적인 마이저 클라우드를 수반하는 밀도가 높고 고밀도의 별주변 환경에서 기인하며, 평균 횡단 시간은 약 20년이다.
• RT Vir의 최고 마이저 방출 속도는 CO 및 OH 관측으로 확인된 별풍 최종 속도에 가까워, 마이저 방출이 별풍의 외부 가속 영역에서 기인함을 시사한다.
• R Crt와 RT Vir의 평균 마이저 빛의 세기는 RX Boo와 SV Peg의 것보다 약 10배 높지만, 이는 항성 빛의 세기나 질량 손실률과 상관관계가 없으며, 국소적 별풍 비균일성이 마이저 활동을 주도함을 시사한다.