[论文解读] Differential Speckle Polarimetry of Betelgeuse in 2019-2020: the rise is different from the fall

Boris S. Safonov, А. В. Додин+7 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2020

Bee Products Chemical Analysis参考文献 10被引用 6

一句话总结

本研究利用差分散斑偏振测量法，对参宿超巨星在2019年10月至2020年4月期间进行观测，发现该恒星深度变暗最小值是由视线方向上的尘埃云引起的。在变暗阶段，星周包层的偏振亮度保持不变，但在恢复阶段上升了2.1倍，表明尘埃云向外移动时光学厚度减小，且亮度回升阶段的速率约为变暗阶段的两倍。

ABSTRACT

Recently published episodic spectral (Levesque and Massey, 2020) and high angular resolution (Montarges et al, 2020) observations of Betelgeuse suggest that the deep minimum of 2019-2020 was caused by an enhanced dust abundance in the stellar atmosphere. Detailed monitoring of such events may prove useful for constructing consistent physical models of mass loss by evolved stars. For such observations it is fundamentally important to employ methods resolving an inhomogeneous stellar atmosphere. We present the differential speckle polarimetric observations of Betelgeuse at 2.5-m telescope of Caucasian Mountain Observatory of SAI MSU covering the period of 2019-2020 minimum. The observations were secured on 17 dates at wavelengths 465, 550, 625 and 880 nm. The circumstellar reflection nebula with the angular size of $\approx0.1^{\prime\prime}$ was detected for all the dates and at all wavelengths. The morphology of the nebula changed significantly over the observational period. Net polarized brightness of the envelope remained constant until February 2020, while the stellar $V$ band flux decreased 2.5 times. Starting from mid-February 2020, polarized flux of the envelope rose 2.1 times, at the same time the star returned to the pre-minimum state of October 2019. Basing on these data and our low resolution spectrum obtained on 2020-04-06 we confirm a conclusion that the minimum is caused by the formation of a dust cloud located on the line of sight. A quantitative characterisation of this cloud will be possible when the data on its thermal radiation are employed.

研究动机与目标

• 利用高角分辨率偏振测量方法，探究参宿超巨星2019–2020年前所未见的亮度最小值的物理成因。
• 确定亮度下降是由于尘埃消光还是光球温度变化所致。
• 追踪参宿超巨星星周包层在亮度最小值和恢复阶段的形态及偏振亮度演化。
• 评估非均匀尘埃分布对观测到的偏振和消光特性的影响。
• 为红超巨星质量损失与尘埃形成模型提供观测约束。

提出的方法

• 采用差分散斑偏振测量法（DSP），利用高加索山天文台2.5米望远镜上的SPP仪器，对17个观测日期的数据进行分析。
• 该方法通过傅里叶变换计算斯托克斯I、Q和U分布的可见度比值R_Q和R_U。
• 采用空间频率归一化的差分偏振可见度，以增强对非对称偏振流量分布的敏感性。
• 通过Safonov等人（2019b）提出的校准程序，校正仪器偏振效应。
• 观测波长为465、550、625和880 nm，实现对包层的多波段分析。
• 利用2020年4月6日获取的低分辨率光谱，支持对恢复阶段的光谱解释。

实验结果

研究问题

• RQ1 参宿超巨星2019–2020年亮度最小值是由于尘埃消光还是光球温度变化所致？
• RQ2 在变暗和恢复阶段，参宿超巨星星周包层的形态和偏振亮度如何演化？
• RQ3 尽管恒星V波段通量减少了2.5倍，为何净偏振度在变暗阶段保持不变？
• RQ4 包层中为何出现不对称亮度分布——即最小值前南半部分较暗，恢复期间变亮？
• RQ5 尘埃云的光学厚度如何随时间变化？这对尘埃形成与喷射机制有何启示？

主要发现

• 在约1 R*处，星周包层在所有观测波长和日期均表现为紧凑的偏振结构。
• 从2019年10月至2020年2月，尽管V波段星等通量减少了2.5倍，包层的净偏振亮度保持不变。
• 自2020年2月中旬起，包层的偏振亮度在恒星恢复阶段增加了2.1倍。
• 恢复阶段的速率约为变暗阶段的两倍，且包层南半部分在恢复期间成为主导区域。
• 包层不对称性的形态反转表明尘埃云已向外移动，减少了自吸收并增加了散射光输出。
• 数据支持一种模型：亮度最小值由视线方向上的尘埃云引起，且随着云体远离恒星，其光学厚度逐渐减小。