[论文解读] An Improved Model of SiO Maser Emission in Miras

M. D. Gray, M. Wittkowski+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2008

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 69

一句话总结

本研究提出了一种改进的动态大气与脉泽传播模型，用于米拉变星中的SiO脉泽，整合了真实的尘埃消光和波长依赖的辐射场。该模型成功再现了在红外光球半径约2.2倍处观测到的环状脉泽结构，环半径与甚长基线干涉测量（VLBI）观测结果一致，并在光学相位0.1–0.25处表现出相位相关的亮度极大值。

ABSTRACT

We describe a combined dynamic atmosphere and maser propagation model of SiO maser emission in Mira variables. This model rectifies many of the defects of an earlier model of this type, particularly in relation to the infra-red (IR) radiation field generated by dust and various wavelength-dependent, optically thick layers. Modelled masers form in rings with radii consistent with those found in VLBI observations and with earlier models. This agreement requires the adoption of a radio photosphere of radius approximately twice that of the stellar photosphere, in agreement with observations. A radio photosphere of this size renders invisible certain maser sites with high amplification at low radii, and conceals high-velocity shocks, which are absent in radio continuum observations. The SiO masers are brightest at an optical phase of 0.1 to 0.25, which is consistent with observed phase-lags. Dust can have both mild and profound effects on the maser emission. Maser rings, a shock and the optically thick layer in the SiO pumping band at 8.13\micron appear to be closely associated in three out of four phase samples.

研究动机与目标

• 克服先前模型中对红外辐射场过度简化的局限性，并假设恒星光球半径固定不变。
• 准确模拟米拉变星中脉泽环、激波与尘埃凝聚区之间的空间与时间关联。
• 确定尘埃消光与辐射泵浦在塑造脉泽发射轮廓与环半径中的作用。
• 使模型预测与VLBI及射电连续谱观测所获得的脉泽环半径和相位相关的强度变化相一致。
• 建立光学光 light curve 与脉泽发射之间观测到的相位滞后现象的物理解释。

提出的方法

• 利用Bowen（1988）和Willson（1987）的耦合流体动力学解，提供星周包层的时间依赖密度、速度与温度结构。
• 基于尘埃消光与凝结温度，计算波长依赖的、光学厚的辐射场，取代早期模型中简化的黑体近似。
• 模型中包含一个半径约为红外光球半径2倍的射电光球，以抑制恒星表面附近不真实的高速激波与明亮脉泽。
• 使用辐射与碰撞泵浦计算脉泽放大，SiO丰度固定为10⁻⁴，H假设为分子以保持速率系数一致性。
• 通过高增益区域的切向放大获得类似VLBI的环半径，环位置由放大与光学厚度的平衡决定。
• 在多个恒星相位上计算相位相关的脉泽谱与环半径，将模型输出与S Ori及其他米拉变星的观测数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 波长依赖的、光学厚的辐射场如何影响米拉变星中SiO脉泽的空间分布与强度？
• RQ2 半径约为红外光球半径2倍的射电光球在使模型预测与射电连续谱观测结果一致方面起到什么作用？
• RQ3 在模型中，脉泽环、激波前沿与8.13 µm光学厚度峰值在空间与时间上是否具有相关性？
• RQ4 为何某些脉泽跃迁（如v=1, J=2–1在86 GHz处）在相位0.1时表现出较大的环半径，且这是否与观测一致？
• RQ5 尘埃消光与辐射泵浦在多大程度上调节SiO脉泽的相位相关亮度？

主要发现

• 模型产生的脉泽发射呈环状，环半径为红外光球半径的1.8–2.4倍，与VLBI观测结果一致。
• v=2, J=1–0脉泽环始终小于v=1, J=1–0脉泽环，与观测趋势相符。
• 半径约为红外光球半径2倍的射电光球可隐藏高速激波，并防止恒星表面附近出现不真实的明亮脉泽，与射电连续谱观测结果一致。
• 在相位0.1时，v=1, J=2–1脉泽环的半径较大（约2.4 R_IR），与VLBI观测结果（Soria-Ruiz et al., 2007）一致，而旧模型则不支持此结果。
• 模型预测的43 GHz处环半径略小于观测值，但处于因亮点数量较少导致的统计不确定性范围内。
• 模型预测的v=1, J=1–0在最亮与最暗相位间的谱强度比约为70，v=2, J=1–0约为1000，高于观测值（分别为1.5与2），可能由于亮点采样中的统计涨落所致。