[论文解读] On the photometric detection of Internal Gravity Waves in upper main-sequence stars I. Methodology and application to CoRoT targets

D. M. Bowman, C. Aerts+9 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Nov 19, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 244被引用 24

一句话总结

本研究基于CoRoT观测数据，开发了一套贝叶斯MCMC框架，用于探测并表征具有对流核心的上主序星光变曲线中的内部重力波（IGWs）。研究在O、B、A和F型星中识别出一种普遍存在的低频功率过剩，其频谱指数γ ≤ 5，首次对大质量恒星中IGW的振幅与形态提供了集合约束，支持IGWs是中等质量恒星近似均匀自转的起源。

ABSTRACT

Context. Main sequence stars with a convective core are predicted to stochastically excite Internal Gravity Waves (IGWs), which effectively transport angular momentum throughout the stellar interior and explain the observed near-uniform interior rotation rates of intermediate-mass stars. However, there are few detections of IGWs, and fewer still made using photometry, with more detections needed to constrain numerical simulations. Aims. We aim to formalise the detection and characterisation of IGWs in photometric observations of stars born with convective cores (M > 1.5 M$_{\odot}$) and parameterise the low-frequency power excess caused by IGWs. Methods. Using the most recent CoRoT light curves for a sample of O, B, A and F stars, we parameterise the morphology of the flux contribution of IGWs in Fourier space using an MCMC numerical scheme within a Bayesian framework. We compare this to predictions from IGW numerical simulations and investigate how the observed morphology changes as a function of stellar parameters. Results. We demonstrate that a common morphology for the low-frequency power excess is observed in early-type stars observed by CoRoT. Our study shows that a background frequency-dependent source of astrophysical signal is common, which we interpret as IGWs. We provide constraints on the amplitudes of IGWs and the shape of their detected frequency spectrum across a range of mass, which is the first ensemble study of stochastic variability in such a diverse sample of stars. Conclusions. The evidence of a low-frequency power excess across a wide mass range supports the interpretation of IGWs in photometry of O, B, A and F stars. We also discuss the prospects of observing hundreds of massive stars with the Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) in the near future.

研究动机与目标

• 正式建立对具有对流核心的上主序星中内部重力波（IGWs）的光变探测方法。
• 利用光变数据，在傅里叶空间中参数化IGWs引起的低频功率过剩形态。
• 对一系列恒星质量范围内的IGW振幅与频谱形态进行约束。
• 检验观测到的低频过剩是否与IGW激发一致，而非米粒组织或风不稳定性。
• 为未来TESS对数百颗大质量恒星的观测奠定基础。

提出的方法

• 采用贝叶斯MCMC数值方案，对CoRoT光变曲线的功率谱密度进行建模。
• 使用幂律模型对低频功率过剩的形态进行参数化，其指数为γ。
• 该方法将观测到的功率谱与核心对流和IGW激发的三维数值模拟预测结果进行比较。
• 利用恒星参数（质量、年龄、自转）将观测到的IGW特征置于理论模型的背景下进行解释。
• 分析考虑了背景噪声，并将IGW驱动的变异性与米粒组织及其他天体物理信号区分开来。
• 该框架应用于CoRoT数据中已知具有对流核心的O、B、A和F型星样本。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有对流核心的早型星中是否普遍观测到与内部重力波（IGW）激发一致的低频功率过剩？
• RQ2 在不同恒星质量下，所检测到的低频功率过剩的频谱形态（指数γ）如何？
• RQ3 观测到的IGW振幅与频谱形状与核心对流的三维数值模拟预测结果相比如何？
• RQ4 观测到的功率过剩能否与大质量O型星中的米粒组织或风驱动不稳定性区分开来？
• RQ5 观测到的IGW特征在多大程度上约束了大质量恒星中角动量输运的物理机制？

主要发现

• 在具有对流核心的O、B、A和F型星中普遍检测到低频功率过剩，表明这是一种广泛存在的天体物理信号。
• 对于大多数参数化良好的恒星，功率过剩的频谱遵循幂律形式，指数γ ≤ 5，与理论IGW预测一致。
• 观测到的形态与米粒组织不一致，排除了表面对流作为低频信号主要来源的可能性。
• 功率过剩的振幅与频谱形状首次为赫罗图上背景IGW谱提供了集合约束。
• 结果支持IGWs是中等质量恒星中角动量输运的主要机制这一解释。
• 本研究为未来利用TESS探测数百颗大质量恒星铺平了道路，有望实现对IGW激发与阻尼更广泛的统计约束。