[论文解读] Aperture synthesis imaging of the carbon AGB star R Sculptoris: Detection of a complex structure and a dominating spot on the stellar disk

M. Wittkowski, K.-H. Hofmann+17 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 65被引用 19

一句话总结

使用VLTI干涉仪结合AMBER与PIONIER，该研究在近红外波段解析了碳富集的AGB星R Sculptoris，检测到一个复杂且非均匀的恒星盘，其中西部半球存在一个主导的明亮斑点。数据揭示了8.9 ± 0.3 mas的罗素兰德角直径，对应半径为355 ± 55 R☉，并表明不含风的动态大气模型最符合观测结果，暗示该恒星的包层比当前风模型所预测的更为紧凑。

ABSTRACT

We present near-infrared interferometry of the carbon-rich asymptotic giant branch (AGB) star R Sculptoris. The visibility data indicate a broadly circular resolved stellar disk with a complex substructure. The observed AMBER squared visibility values show drops at the positions of CO and CN bands, indicating that these lines form in extended layers above the photosphere. The AMBER visibility values are best fit by a model without a wind. The PIONIER data are consistent with the same model. We obtain a Rosseland angular diameter of 8.9+-0.3 mas, corresponding to a Rosseland radius of 355+-55 Rsun, an effective temperature of 2640+-80 K, and a luminosity of log L/Lsun=3.74+-0.18. These parameters match evolutionary tracks of initial mass 1.5+-0.5 Msun and current mass 1.3+-0.7 Msun. The reconstructed PIONIER images exhibit a complex structure within the stellar disk including a dominant bright spot located at the western part of the stellar disk. The spot has an H-band peak intensity of 40% to 60% above the average intensity of the limb-darkening-corrected stellar disk. The contrast between the minimum and maximum intensity on the stellar disk is about 1:2.5. Our observations are broadly consistent with predictions by dynamic atmosphere and wind models, although models with wind appear to have a circumstellar envelope that is too extended compared to our observations. The detected complex structure within the stellar disk is most likely caused by giant convection cells, resulting in large-scale shock fronts, and their effects on clumpy molecule and dust formation seen against the photosphere at distances of 2-3 stellar radii.

研究动机与目标

• 在高角分辨率下对碳富集AGB星R Sculptoris的光球层及其邻近包层环境进行成像。
• 研究大气非均质结构（如对流细胞和尘埃团块）在恒星表面的存在与结构特征。
• 将动态大气与风模型与高分辨率干涉数据进行对比，以评估其在预测恒星结构与质量损失方面的准确性。
• 测定基本恒星参数（半径、温度、光度），并与演化模型进行比较。
• 探讨恒星盘面上观测到的强度对比的成因，特别是主导明亮斑点的来源，并将其与对流和尘埃形成过程联系起来。

提出的方法

• 2012年在甚大望远镜干涉仪（VLTI）上利用AMBER仪器进行中等分辨率K波段干涉测量。
• 2014至2015年在VLTI上利用PIONIER仪器进行低分辨率H波段干涉成像，获得足够覆盖uv平面的数据以实现图像重建。
• 通过测量复 visibility 和闭合相位，推断恒星盘与包层的空间结构。
• 将可见度与闭合相位数据与碳富集AGB星的1D动态大气与风模型网格进行比较。
• 利用从可见度数据获得的罗素兰德角直径，结合总辐射通量与距离估计，计算恒星半径、有效温度与光度。
• 使用PIONIER数据重建高保真度的恒星盘图像，通过修正边缘暗化以分离出真实的强度变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 碳富集AGB星R Sculptoris的光球层真实形态为何？其是否表现出非球对称或非均质结构？
• RQ2 当前用于碳富集AGB星的动态大气与风模型在多大程度上能再现观测到的干涉数据，特别是关于包层扩展程度的预测？
• RQ3 恒星盘面上观测到的强度对比（尤其是西部半球的主导明亮斑点）是由什么引起的？
• RQ4 R Sculptoris的推导基本参数（半径、温度、光度）与恒星演化模型的预测相比如何？
• RQ5 观测到的恒星盘面亚结构是否与对流和尘埃形成过程的3D辐射流体动力学模拟预测一致？

主要发现

• R Sculptoris的罗素兰德角直径测量值为8.9 ± 0.3 mas，对应罗素兰德半径为355 ± 55 R☉。
• 有效温度确定为2640 ± 80 K，光度为log(L/L☉) = 3.74 ± 0.18。
• 尽管已知R Sculptoris具有包层，但最符合干涉数据的模型是不含风的动态大气模型。
• PIONIER重建图像显示西部半球存在一个主导明亮斑点，其峰值强度比经边缘暗化校正后的平均强度高出45–60%。
• 恒星盘面上最小与最大强度之间的总对比度约为1:2.5，表明存在强烈的局域非均质性。
• 模型对比表明，当前风模型过度预测了包层的扩展程度，暗示实际质量损失率可能低于先前假设，或模型中需引入额外物理机制。