[论文解读] SPHERE / ZIMPOL observations of the symbiotic system R Aqr. I. Imaging of the stellar binary and the innermost jet clouds

H. M. Schmid, A. Bazzon+41 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2017

Adaptive optics and wavefront sensing参考文献 1被引用 27

一句话总结

本研究利用高分辨率SPHERE/ZIMPOL成像对共生双星R Aquarii进行了观测，成功解析了距离为60 AU以内的恒星双星和最内层喷流云团。结果揭示了一个高度动态的喷流系统，具有强烈的密度梯度、短时标再结合时间（数天至数月），以及变化的Hα发射，表明其快速演化由轨道运动与致密星风环境中的激波相互作用所驱动。

ABSTRACT

R Aqr is a symbiotic binary system consisting of a mira variable, a hot companion with a spectacular jet outflow, and an extended emission line nebula. We have used R Aqr as test target for the visual camera subsystem ZIMPOL, which is part of the new extreme adaptive optics (AO) instrument SPHERE at the Very Large Telescope (VLT). We compare our observations with data from the Hubble Space Telescope (HST) and illustrate the complementarity of the two instruments. We determine from the Halpha emission the position, size, geometric structure, and line fluxes of the jet source and the clouds in the innermost region (<2") of R Aqr and determine Halpha emissivities mean density, mass, recombination time scale, and other cloud parameters. Our data resolve for the first time the R Aqr binary and we measure for the jet source a relative position 46+/-1 mas West of the mira. The central jet source is the strongest Halpha component. North east and south west from the central source there are many clouds with very diverse structures. We see in the SW a string of bright clouds arranged in a zig-zag pattern and, further out, more extended bubbles. In the N and NE we see a bright, very elongated filamentary structure and faint perpendicular "wisps" further out. Some jet clouds are also detected in the ZIMPOL [OI] and He I filters, as well as in the HST line filters for Halpha, [OIII], [NII], and [OI]. We determine jet cloud parameters and find a very well defined anti-correlation between cloud density and distance to the central binary. Future Halpha observations will provide the orientation of the orbital plane of the binary and allow detailed hydrodynamical investigations of this jet outflow and its interaction with the wind of the red giant companion.

研究动机与目标

• 以前所未有的空间分辨率解析共生双星R Aquarii的最内层喷流结构。
• 表征喷流云团的物理特性，包括密度、尺寸、亮度及动力学时标。
• 研究快速喷流外流与红巨星致密星风之间的流体动力学相互作用。
• 确定轨道平面的取向，以理解喷流进动及喷流形态不对称性的成因。
• 为未来对云团运动与通量变化的持续监测奠定基础，以解码喷流外流的物理机制。

提出的方法

• 利用SPHERE/ZIMPOL这一自适应光学仪器，在近红外波段对R Aquarii进行观测，该仪器具备高对比度成像与偏振测量能力。
• 应用差分成像与偏振技术，抑制明亮恒星光，从而揭示微弱且延伸的喷流结构。
• 通过测量Hα表面亮度与通量，结合再结合时间尺度的分析，推导云团亮度并估算电子密度。
• 绘制了从喷流基底处约5×10⁷ cm⁻³到300 AU处约3×10⁵ cm⁻³的电子密度径向分布，表明存在强烈的密度梯度。
• 分析了切向丝状物、纤维状结构及弧形结构等形态特征，以推断云团运动学与激波特性的变化。
• 利用档案中的HST数据（1991–1992年）进行对比，检测过去二十年间形态的演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 R Aquarii最内层喷流云团的物理特性（密度、尺寸、亮度）是什么？
• RQ2 再结合时间尺度在喷流中如何变化？其对通量可变性的含义是什么？
• RQ3 与1990年代初HST观测结果相比，喷流结构的形态变化由什么驱动？
• RQ4 喷流外流是否垂直于轨道平面？进动是否可解释点对称的弧形结构？
• RQ5 Hα发射云团是慢速星风中的激波激发区域、外流中的辐射激波区，还是被喷流卷入的致密星风团块？

主要发现

• 电子密度从中心喷流源处的约5×10⁷ cm⁻³随径向向外递减至300 AU处的约3×10⁵ cm⁻³，表明存在强烈的密度梯度。
• 再结合时间尺度在中心源处小于一周，内层云团（60 AU处）约为3周，外层云团（300 AU处）约为6个月。
• Hα表面亮度与亮度随距喷流源距离的增加而显著降低，表明向外方向激发效率下降。
• 云团直径随距源距离增加而增大，但未观测到质量的明显趋势。
• 自1991–1992年HST观测以来，400 AU以内的喷流形态已发生显著变化，表明具有高度的动力学活跃性。
• 由于再结合时间尺度极短且喷流源存在轨道运动，预计喷流将在数天至数月的时间尺度上表现出高度可变性。