[論文レビュー] What causes the large extensions of red-supergiant atmospheres? Comparisons of interferometric observations with 1-D hydrostatic, 3-D convection, and 1-D pulsating model atmospheres

B. Arroyo-Torres, M. Wittkowski+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 80被引用数 34

ひとこと要約

本研究では、VLTI/AMBERを用いたV602 Car、HD 95687、HD 183589のKバンド（1.92–2.47 μm）における近赤外分光干渉測定を用いて、赤超巨星（RSGs）の延長された分子大気の原因を調査した。PHOENIX、3次元対流、1次元脈動モデルによる光度面密度の一致にもかかわらず、COおよびH2Oバンドにおける観測された可視度低下は、1–2個星半径を超える大気の延長を示しており、これは対流や脈動だけでは説明できない。主な発見は、対流や脈動の両方が単独で延長を説明できないことであり、代わりにドップラー線にずれた分子線に対する放射圧加速が最も妥当なメカニズムである。この仮説は、光度（~10⁵ L⊙を超える）と表面重力（log g < 0）との相関関係によって裏付けられている。

ABSTRACT

We present the atmospheric structure and the fundamental parameters of three red supergiants, increasing the sample of RSGs observed by near-infrared spectro-interferometry. Additionally, we test possible mechanisms that may explain the large observed atmospheric extensions of RSGs. We carried out spectro-interferometric observations of 3 RSGs in the near-infrared K-band with the VLTI/AMBER instrument at medium spectral resolution. To comprehend the extended atmospheres, we compared our observational results to predictions by available hydrostatic PHOENIX, available 3-D convection, and new 1-D self-excited pulsation models of RSGs. Our near-infrared flux spectra are well reproduced by the PHOENIX model atmospheres. The continuum visibility values are consistent with a limb-darkened disk as predicted by the PHOENIX models, allowing us to determine the angular diameter and the fundamental parameters of our sources. Nonetheless, in the case of V602 Car and HD 95686, the PHOENIX model visibilities do not predict the large observed extensions of molecular layers, most remarkably in the CO bands. Likewise, the 3-D convection models and the 1-D pulsation models with typical parameters of RSGs lead to compact atmospheric structures as well, which are similar to the structure of the hydrostatic PHOENIX models. They can also not explain the observed decreases in the visibilities and thus the large atmospheric molecular extensions. The full sample of our RSGs indicates increasing observed atmospheric extensions with increasing luminosity and decreasing surface gravity, and no correlation with effective temperature or variability amplitude, which supports a scenario of radiative acceleration on Doppler-shifted molecular lines.

研究の動機と目的

• 3つの赤超巨星（RSGs）：V602 Car、HD 95687、HD 183589の大気構造および基本パラメータを特定すること。
• 対流、脈動、または放射過程が、RSGの大気における分子層の顕著な延長を引き起こしているかどうかを検証すること。
• 現在の1次元静水的、3次元対流、1次元脈動モデル大気が干渉測定可視度データを再現する際の限界を評価すること。
• RSGの大気において光球面を超えて分子層を浮上させる支配的物理機構を同定すること。
• 光度および表面重力がRSGの大気延長の程度に与える影響を調査すること。

提案手法

• VLTI/AMBERを用いて、Kバンド（1.92–2.47 μm）における中分解能（R ~ 1500）の近赤外分光干渉測定を実施した。
• 連続スペクトル可視度および分子バンド可視度（CO 2-0およびH2O）を測定し、光球面を超えた大気の延長を推定した。
• 1次元静水的PHOENIXモデル、3次元放射圧対流（RHD）シミュレーション、および新規の1次元自己駆動脈動モデルとの観測可視度曲線を比較した。
• 連続スペクトルとCOバンドヘッド領域の可視度比を計算し、大気の延長度を定量化した。
• 効果的温度、光度、ローゼンベルグ半径を用いて、標的天体をヘルツシュプラング＝ラッセル（HR）図に配置し、進化曲線と比較した。
• 大気の延長（可視度低下）と星の基本パラメータ（光度、表面重力、効果的温度、変動振幅）との相関関係を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 干渉測定による分子バンドにおける可視度低下から明らかになった赤超巨星の顕著な大気延長の原因は何ですか？
• RQ2 1次元静水的、3次元対流、1次元脈動モデル大気が、RSGの観測可視度曲線を再現できますか？
• RQ3 分子層の延長の程度と、光度、表面重力、効果的温度、または変動振幅といった星の基本パラメータとの間に相関がありますか？
• RQ4 RSGの観測された延長は、ミラ変星のそれとどのように比較できるでしょうか。これは、背後にある物理的メカニズムに何を示唆していますか？
• RQ5 ドップラー線にずれた分子線に対する放射圧加速は、RSGの大気における分子層の浮上に妥当なメカニズムでしょうか？

主な発見

• V602 Car、HD 95687、HD 183589の近赤外線フラックススペクトルは、1次元静水的PHOENIXモデル大気に良好に一致している。
• 連続スペクトル可視度測定は、PHOENIXモデルが予測する縁減衰円盤と一致しており、視直径および基本パラメータの正確な決定が可能になった。
• すべてのモデル大気（PHOENIX、3次元対流、1次元脈動）は、構造がcompactであると予測し、CO（2.3–2.5 μm）およびH2O（1.9–2.1 μm）バンドで観測された強い可視度低下を再現できない。
• 観測された大気の延長は、ミラ星と同程度のスケールであり、数個星半径にまで達するが、テストされたどのモデルでも予測されていない。
• 大気の延長と光度（>~10⁵ L⊙）および表面重力（log g < 0）との間に顕著な相関関係が認められ、効果的温度や変動振幅とは相関しない。
• 結果は、ドップラー線にずれた分子線に対する放射圧加速が、RSGの大気における分子層の浮上を支配するメカニズムであると支持するものであり、ほこりの形成はより大きな半径で起こり、放射圧または磁気的効果によってさらに加速される可能性がある。