[论文解读] Clumpy dust clouds and extended atmosphere of the AGB star W Hya revealed with VLT/SPHERE-ZIMPOL and VLTI/AMBER II. Time variations between pre-maximum and minimum light

K. Ohnaka, G. Weigelt+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用 19

一句话总结

本研究利用甚大望远镜/SPHERE-ZIMPOL偏振成像与甚大望远镜/AMBER干涉仪，揭示了红超巨星W Hydrae在最小光和预最大光时刻的时变团状尘埃云团及延伸大气层。研究发现，在最小光时刻，主导尘埃颗粒尺寸为0.1 μm，而在预最大光时刻则为0.5 μm，表明尘埃颗粒在脉动周期中持续生长。

ABSTRACT

Our recent visible polarimetric images of the well-studied AGB star W Hya taken at pre-maximum light (phase 0.92) with VLT/SPHERE-ZIMPOL have revealed clumpy dust clouds close to the star at ~2 Rstar. We present second-epoch SPHERE-ZIMPOL observations of W Hya at minimum light (phase 0.54) in the continuum (645, 748, and 820 nm), in the Halpha line (656.3 nm), and in the TiO band (717 nm) as well as high-spectral resolution long-baseline interferometric observations in 2.3 micron CO lines with the AMBER instrument at the Very Large Telescope Interferometer (VLTI). The high-spatial resolution polarimetric images have allowed us to detect clear time variations in the clumpy dust clouds as close as 34--50~mas (1.4--2.0 Rstar) to the star. We detected the formation of a new dust cloud and the disappearance of one of the dust clouds detected at the first epoch. The Halpha and TiO emission extends to ~150 mas (~6 Rstar), and the Halpha images reveal time variations. The degree of linear polarization is higher at minimum light (13--18%) than that at pre-maximum light. The power-law-type limb-darkened disk fit to the AMBER data in the continuum results in a limb-darkened disk diameter of 49.1+/-1.5 mas and a limb-darkening parameter of 1.16+/-0.49, indicating that the atmosphere is more extended with weaker limb-darkening compared to pre-maximum light. Our Monte Carlo radiative transfer modeling suggests the predominance of small (0.1 micron) grains of Al2O3, Mg2SiO4, and MgSiO3 at minimum light, in marked contrast to the predominance of large (0.5 micron) grains at pre-maximum light. The variability phase dependence of the grain size implies that small grains might just have started to form at minimum light in the wake of a shock, while the pre-maximum light phase might have corresponded to the phase of efficient grain growth.

研究动机与目标

• 研究红超巨星W Hydrae在不同脉动相位下团状尘埃结构与延伸大气层的时变特性。
• 利用高空间分辨率偏振与干涉观测，确定包层环境中尘埃颗粒的尺寸分布与成分。
• 理解脉动驱动激波、尘埃形成与颗粒生长在内包层中的关联机制。
• 对比最小光时刻（相位0.54）与预最大光时刻（相位0.92）的物理条件与尘埃特性，推断尘埃形成过程的演化趋势。

提出的方法

• 利用甚大望远镜/SPHERE-ZIMPOL在三个连续谱波长（645、748、820 nm）、Hα（656.3 nm）与TiO（717 nm）波段，获取了W Hya在最小光时刻（相位0.54）的高空间分辨率可见光偏振图像。
• 利用甚大望远镜/AMBER在近红外CO第一泛音区（约2.3 μm）进行高光谱分辨率长基线干涉测量，光谱分辨率12,000。
• 采用幂律型边缘暗化盘模型拟合AMBER连续谱可见度，以推导有效恒星盘大小与边缘暗化参数。
• 通过二维蒙特卡罗辐射转移建模解释SPHERE-ZIMPOL偏振强度图，假设尘埃壳层具有特定颗粒尺寸与光学厚度。
• 将观测到的偏振与强度结构与Al2O3、Mg2SiO4与MgSiO3颗粒的模型进行比较，以约束成分与颗粒尺寸分布。
• 分析两个观测历元间Hα与TiO发射形态与偏振的时间变化，评估延伸大气层的动力学变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 W Hya周围尘埃云团的形态与偏振在最小光时刻与预最大光时刻如何变化？
• RQ2 在最小光时刻，内包层环境中尘埃的特征颗粒尺寸是多少？与预最大光时刻相比有何差异？
• RQ3 通过Hα与TiO发射追踪的延伸大气层，在两个脉动相位之间表现出多大程度的时间可变性？
• RQ4 最小光时刻与预最大光时刻的恒星盘边缘暗化特性如何变化？这反映了大气结构的何种含义？
• RQ5 导致观测到的尘埃云分布与偏振时变性的物理机制是什么？

主要发现

• SPHERE-ZIMPOL在最小光时刻探测到三团团状尘埃云，位于34–50 mas（1.4–2.0 R⋆）之间，且表现出明显的时间变化：与预最大光时刻相比，一个新云团形成，而此前探测到的一个云团消失。
• 最小光时刻的线偏振度在13%至18%之间，高于预最大光时刻，表明散射更强或尘埃分布更不对称。
• Hα与TiO发射延伸至约150 mas（约6 R⋆），其形态在两个历元间表现出时间变化，表明延伸大气层存在动力学变化。
• VLTI/AMBER数据通过幂律边缘暗化盘模型拟合，得到边缘暗化盘直径为49.1 ± 1.5 mas，边缘暗化参数为1.16 ± 0.49，表明最小光时刻大气层更扩展且边缘暗化程度更低。
• 对SPHERE-ZIMPOL数据在最小光时刻的蒙特卡罗辐射转移建模最佳拟合结果为：Al2O3、Mg2SiO4或MgSiO3颗粒构成的尘埃壳层，颗粒尺寸0.1 μm，550 nm光学厚度为0.6 ± 0.2，壳层半径分别为1.3 R⋆与10 ± 2 R⋆。
• 模型结果表明颗粒尺寸存在明显对比：最小光时刻以0.1 μm颗粒为主，而预最大光时刻则以0.5 μm颗粒为主，表明颗粒生长发生在脉动周期中。