[论文解读] Short-term variability and mass loss in Be stars V. Space photometry and ground-based spectroscopy of $\gamma$ Cas

C. C. Borre, D. Baade+10 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 60被引用 6

一句话总结

本研究利用空间测光（SMEI、BRITE）和档案Hα光谱（2006–2017）对典型Be星γ Cas的光学变异性与质量损失进行了研究。通过Hα线结构确认了203.5天的轨道周期，并识别出三种显著的高频变异性——0.82 d⁻¹、1.25 d⁻¹和2.48 d⁻¹，归因于非径向脉动（NRPs），其中2.48 d⁻¹频率可能自2000年代初即已存在，排除了旋转起源，支持NRPs作为盘面质量喷射的主要机制。

ABSTRACT

Context. Be stars are physically complex systems that continue to challenge theory to understand their rapid rotation, complex variability and decretion disks. $\gamma$ Cassiopeiae ($\gamma$ Cas) is one such star but is even more curious because of its unexplained hard thermal X-ray emission. Aims. We aim to examine the optical variability of $\gamma$ Cas and thereby to shed more light on its puzzling behaviour. Methods. Three hundred twenty-one archival H$\alpha$ spectra from 2006 to 2017 are analysed to search for frequencies corresponding to the 203.5 day orbit of the companion. Space photometry from the SMEI satellite from 2003 to 2011 and the BRITE-Constellation of nano-satellites between 2015 and 2019 is investigated in the period range from a couple of hours to a few days. Results. The orbital period of the companion of 203.5 days is confirmed with independent measurements from the structure of the H$\alpha$ line emission. A strong blue/red asymmetry in the amplitude distribution across the H$\alpha$ emission line could hint at a spiral structure in the decretion disk. With the space photometry, the known frequency of 0.82 d$^{-1}$ is confirmed in data from the early 2000s. A higher frequency of 2.48 d$^{-1}$ is present in the data from 2015 to 2019 and possibly also in the early 2000s. A third frequency at 1.25 d$^{-1}$ is proposed to exist in both SMEI and BRITE data. The only explanation covering all three rapid variations seems to be nonradial pulsation. The two higher frequencies are incompatible with rotation.

研究动机与目标

• 理解γ Cas的光学变异性与质量损失机制，该星为具有未解X射线辐射的典型Be星。
• 确定观测到的高频变异性是否源于旋转、轨道调制或脉动。
• 研究Hα线轮廓不对称性的成因及其与盘结构的关联。
• 利用多 epoch 数据评估光度与光谱变异性长期演化。

提出的方法

• 分析321组档案Hα光谱（2006–2017）以检测周期性并研究线轮廓不对称性。
• 对SMEI测光数据（2003–2011）和BRITE-Constellation纳米卫星数据（2015–2019）在0.1–5 d⁻¹频率范围进行时间序列分析。
• 采用傅里叶与频率分析识别显著周期性并评估其时间稳定性。
• 将Hα振幅分布与轨道相位进行互相关分析，以检测与螺旋结构锁定相关的效应。
• 重新分析SMEI数据，以检验2000年代初是否存在2.48 d⁻¹频率。
• 通过模型比较区分观测频率的旋转、轨道或非径向脉动（NRP）起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 γ Cas伴星的203.5天轨道周期是否可通过Hα线结构的光谱分析得到证实？
• RQ2 观测到的高频光变（0.82 d⁻¹、1.25 d⁻¹、2.48 d⁻¹）是否源于旋转、轨道调制或非径向脉动？
• RQ3 Hα线轮廓中蓝/红振幅不对称性是否表明脱出盘中存在与伴星锁定的螺旋结构？
• RQ4 2.48 d⁻¹频率是否在SMEI与BRITE数据中均可检测到，且在2000年代初已存在？
• RQ5 三个观测频率能否由单一物理机制（如非径向脉动）解释？

主要发现

• 通过Hα发射线结构的相位锁定调制，确认了γ Cas伴星的203.5天轨道周期。
• Hα线轮廓中显著的蓝/红振幅不对称性表明脱出盘中存在螺旋结构，可能由伴星引力影响引起。
• 0.82 d⁻¹频率在SMEI数据（2003–2011）中得到确认，振幅呈下降趋势，但在BRITE数据中未检测到（检测极限约1 mmag）。
• 2.48 d⁻¹频率在BRITE测光数据（2015–2019）中占主导地位，且可能在SMEI数据（2003–2011）中已存在，表明其长期稳定性。
• 1.25 d⁻¹频率在SMEI与BRITE数据中均被检测到，支持其在多组数据中持续存在。
• 三种高频变异性（0.82 d⁻¹、1.25 d⁻¹、2.48 d⁻¹）与旋转机制不兼容，最可能由非径向脉动解释，且非径向脉动是Be星质量喷射的主要驱动力。