[论文解读] Multi-epoch VLTI-PIONIER imaging of the supergiant V766 Cen: Image of the close companion in front of the primary

M. Wittkowski, F. J. Abellán+11 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 21被引用 10

一句话总结

本研究利用多 epochs 的 VLTI-PIONIER 近红外干涉成像，解析了大质量红超巨星 V766 Cen，并确认其存在一个近距离食双星伴星。2016 年和 2017 年的图像显示，在恒星边缘处存在一个明亮且紧凑的特征，半径为 650 ± 150 R☉，被解释为位于主星前方的伴星或共用包层；而 2014 年的数据仅显示光球对流细胞，证实了轨道运动，并得出质量比为 0.16⁺⁰.⁴⁰₋₀.₀⁷。

ABSTRACT

The star V766 Cen (=HR 5171A) was originally classified as a yellow hypergiant but lately found to more likely be a 27-36 Msun red supergiant (RSG). Recent observations indicated a close eclipsing companion in the contact or common-envelope phase. Here, we aim at imaging observations of V766 Cen to confirm the presence of the close companion. We used near-infrared H -band aperture synthesis imaging at three epochs in 2014, 2016, and 2017, employing the PIONIER instrument at the Very Large Telescope Interferometer (VLTI). The visibility data indicate a mean Rosseland angular diameter of 4.1+/-0.8 mas, corresponding to a radius of 1575+/-400 Rsun. The data show an extended shell (MOLsphere) of about 2.5 times the Rosseland diameter, which contributes about 30% of the H-band flux. The reconstructed images at the 2014 epoch show a complex elongated structure within the photospheric disk with a contrast of about 10%. The second and third epochs show qualitatively and quantitatively different structures with a single very bright and narrow feature and high contrasts of 20-30%. This feature is located toward the south-western limb of the photospheric stellar disk. We estimate an angular size of the feature of 1.7+/-0.3 mas, corresponding to a radius of 650+/-150 Rsun, and giving a radius ratio of 0.42+0.35/-0.10} compared to the primary stellar disk. We interpret the images at the 2016 and 2017 epochs as showing the close companion, or a common envelope toward the companion, in front of the primary. At the 2014 epoch, the close companion is behind the primary and not visible. Instead, the structure and contrast at the 2014 epoch are typical of a single RSG harboring giant photospheric convection cells. The companion is most likely a cool giant or supergiant star with a mass of 5+15/-3 Msun.

研究动机与目标

• 使用高角分辨率干涉测量法直接成像大质量红超巨星 V766 Cen 的近距离伴星。
• 解析主星的表面结构，并区分光球对流特征与伴星引起的畸变。
• 检验先前由光谱干涉数据提出的假设：即存在一个处于接触或共用包层阶段的近距离食双星伴星。
• 利用多 epochs 成像与先前的光变曲线和径向速度数据一致性，确定系统的轨道几何参数与质量比。
• 提供对 SN1987A 前体星系统的观测确认，该系统中低质量伴星与大质量红超巨星发生相互作用。

提出的方法

• 在三个 epochs（2014 年、2016 年和 2017 年）利用甚大望远镜干涉仪（VLTI）上的 PIONIER 仪器，获取了近红外 H 波段的孔径综合成像。
• 应用可见度与闭合相位数据处理方法，重建了恒星盘及其周围结构的高动态范围图像。
• 使用模型无关的图像重建技术，解析恒星盘上的表面不均匀性与紧凑特征。
• 将重建的图像与恒星对流的三维流体动力学模拟进行比较，以区分光球 granulation 与伴星引起的特征。
• 利用先前光变曲线与径向速度数据得出的轨道周期 1304 ± 6 d，拟合开普勒轨道，以检验观测到的伴星位置与轨道运动的一致性。
• 在假设为接触或共用包层构型的前提下，基于 Roche 势场模型，通过半径比（0.42⁺⁰.³⁵₋₀.₁₀）计算质量比。

实验结果

研究问题

• RQ1 此前由光谱干涉测量推断出的 V766 Cen 近距离伴星，在多个 epochs 的直接成像中是否表现为一个明确的特征？
• RQ2 2014 年观测到的表面结构与 2016 年和 2017 年的结构有何不同？这些差异对伴星相对于主星的位置有何启示？
• RQ3 2016 年和 2017 年观测到的紧凑特征的角大小与对比度，能否由一颗伴星或共用包层结构解释？
• RQ4 伴星的轨道运动是否与先前由光变与径向速度数据得出的周期 1304 d 一致？
• RQ5 该系统的质量比是多少？是否支持接触或共用包层阶段的场景？

主要发现

• V766 Cen 的平均 Rosseland 角直径为 4.1 ± 0.8 mas，对应半径为 1575 ± 400 R☉，与红超巨星的特征一致。
• 一个半径约为 Rosseland 直径 2.5 倍的 MOLsphere 贡献了约 30% 的 H 波段通量。
• 2014 年的图像显示一个复杂且拉长的结构，对比度约为 10%，被解释为光球对流细胞。
• 2016 年和 2017 年的图像揭示了一个单一、非常明亮且狭窄的特征，对比度为 20–30%，位于主星西南边缘。
• 该特征的角大小为 1.7 ± 0.3 mas，对应半径为 650 ± 150 R☉，相对于主星的半径比为 0.42⁺⁰.³⁵₋₀.₁₀。
• 在假设为接触或共用包层构型的前提下，系统的质量比估计为 0.16⁺⁰.⁴⁰₋₀.₀⁷，与伴星质量为 5⁺¹⁵₋₃ M☉ 的结果一致。