[论文解读] Cyclic Variability of the Circumstellar Disc of the Be Star $\zeta$ Tau. II. Testing the 2D Global Disc Oscillation Model

A. C. Carciofi, Atsuo T. Okazaki+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2009

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 33被引用 69

一句话总结

本研究提出了一种自洽的ζ Tauri Be星三维非局部热动平衡（NLTE）辐射转移模型，利用偏振、光度、光谱光度及VLTI/AMBER干涉观测数据，对全局盘振荡模型进行了检验。结果证实粘性外流盘模型是盘形成机制，并首次对空间分辨的干涉数据实现了定量拟合，表明V/R变化源于盘中以约1430天周期进动的一臂螺旋密度波。

ABSTRACT

Aims. In this paper we model, in a self-consistent way, polarimetric, photometric, spectrophotometric and interferometric observations of the classical Be star $\zeta$ Tauri. Our primary goal is to conduct a critical quantitative test of the global oscillation scenario. Methods. We have carried out detailed three-dimensional, NLTE radiative transfer calculations using the radiative transfer code HDUST. For the input for the code we have used the most up-to-date research on Be stars to include a physically realistic description for the central star and the circumstellar disc. We adopt a rotationally deformed, gravity darkened central star, surrounded by a disc whose unperturbed state is given by a steady-state viscous decretion disc model. We further assume that disc is in vertical hydrostatic equilibrium. Results. By adopting a viscous decretion disc model for $\zeta$ Tauri and a rigorous solution of the radiative transfer, we have obtained a very good fit of the time-average properties of the disc. This provides strong theoretical evidence that the viscous decretion disc model is the mechanism responsible for disc formation. With the global oscillation model we have successfully fitted spatially resolved VLTI/AMBER observations and the temporal V/R variations of the H$\alpha$ and Br$\gamma$ lines. This result convincingly demonstrates that the oscillation pattern in the disc is a one-armed spiral. Possible model shortcomings, as well as suggestions for future improvements, are also discussed.

研究动机与目标

• 利用多波段、多技术观测，对Be星ζ Tauri的全局盘振荡模型进行关键的定量检验。
• 确定粘性外流盘模型是否能准确再现盘的时平均与时变特性。
• 评估盘的几何与动力学特性，特别是V/R变化的本质及干涉测量揭示的空间结构。
• 通过同时拟合多样化的观测约束（包括干涉与光谱数据），解决模型参数的歧义。

提出的方法

• 采用三维非局部热动平衡辐射转移代码HDUST，求解非局部热动平衡下的耦合辐射转移、辐射平衡与统计平衡问题。
• 使用旋转变形、重力暗化中心星模型，包含纬向依赖的辐射场与Kurucz模型大气。
• 将未受扰动的盘建模为垂直流体静力平衡下的稳态粘性外流盘，具有开普勒旋转。
• 基于Okazaki（1991）与Papaloizou等（1992）的模型，在盘上叠加全局m = 1一臂螺旋振荡模态。
• 同时拟合时平均的光度、光谱光度、偏振及空间分辨的VLTI/AMBER干涉数据。
• 采用蒙特卡罗光子追踪模拟三维盘几何中的发射与散射，考虑极向逃逸与局部遮蔽效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 粘性外流盘模型是否能准确再现ζ Tauri周围盘的时平均全局特性？
• RQ2 具有螺旋密度波的一维全局盘振荡模型能否定量再现Hα与Brγ线的V/R周期观测？
• RQ3 VLTI/AMBER干涉观测在多大程度上能约束外盘的几何与结构？
• RQ4 为何模型无法再现Br15线的V/R周期，并预测了内盘中未观测到的偏振变化？
• RQ5 三维垂直振荡效应对m = 1模态在盘中的约束与振幅有何影响？

主要发现

• 模型对时平均盘特性实现了极佳拟合，为粘性外流盘机制是ζ Tauri盘形成原因提供了强有力的理论证据。
• 对VLTI/AMBER干涉数据与Hα及Brγ线V/R周期的联合拟合，证实密度波为一臂螺旋波，其进动周期约为1430天。
• 确定盘的倾角为95°，证实盘的南侧面向地球，解决了非空间分辨偏振测量带来的歧义。
• 模型成功再现了外盘的一般结构，如干涉数据所示，但未能匹配Br15线V/R周期，并预测了内盘中未观测到的偏振变化。
• 内盘的差异表明，全局振荡模型可能无法准确描述内区的几何或动力学，可能由于非等温效应或爆发驱动扰动所致。
• 本研究表明，Ogilvie（2008）描述的振荡模态三维垂直结构预期会影响外盘振幅，为本系列下一篇文章的进一步分析提供了依据。