[论文解读] The close circumstellar environment of Betelgeuse. IV. VLTI/PIONIER interferometric monitoring of the photosphere

M. Montargès, P. Kervella+10 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Feb 16, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 24

一句话总结

本研究利用VLTI/PIONIER干涉仪对参宿超巨星在2012至2014年间的光球层进行监测，发现一个宽度约为一个恒星半径的大型持久热点。该热点的非对称亮度分布扭曲了对流模式，无法被当前的三维辐射流体动力学模拟再现，表明其可能在触发红超巨星质量损失中起关键作用。

ABSTRACT

Context. The mass-loss mechanism of cool massive evolved stars is poorly understood. The proximity of Betelgeuse makes it an appealing target to study its atmosphere, map the shape of its envelope, and follow the structure of its wind from the photosphere out to the interstellar medium. Aims. A link is suspected between the powerful convective motions in Betelgeuse and its mass loss. We aim to constrain the spatial structure and temporal evolution of the convective pattern on the photosphere and to search for evidence of this link. Methods. We report new interferometric observations in the infrared H band using the VLTI/PIONIER instrument. We monitored the photosphere of Betelgeuse between 2012 January and 2014 November to look for evolutions that may trigger the outflow. Results. Our interferometric observations at low spatial frequencies are compatible with the presence of a hot spot on the photosphere that has a characteristic width of one stellar radius. It appears to be superposed on the smaller scale convective pattern. In the higher spatial frequency domain, we observe a significant difference between the observations and the predictions of 3D hydrodynamical simulations. Conclusions. We bring new evidence for the presence of a convective pattern in the photosphere of red supergiants. The inferred hot spot is probably the top of a giant convection cell although an asymmetric extension of the star cannot be excluded by these interferometric observations alone. The properties of the observed surface features show a stronger contrast and inhomogeneity as predicted by 3D radiative hydrodynamical simulations. We propose that the large observed feature is modifying the signature of the convective pattern at the surface of the star in a way that simulations cannot reproduce.

研究动机与目标

• 研究参宿超巨星光球层对流模式的空间结构与时间演化。
• 确定大尺度表面特征是否与恒星的质量损失机制相关。
• 将三维辐射流体动力学（RHD）模拟的预测与高角分辨率干涉观测结果进行对比。
• 评估光球不均匀性对恒星干涉特征的影响。
• 探讨非对称亮度特征是否可能驱动红超巨星的周期性质量损失。

提出的方法

• 在2012年1月至2014年11月期间，利用VLTI/PIONIER仪器在红外H波段开展多历元干涉观测。
• 通过分析可见度和闭合相位数据，在高角分辨率下重建光球亮度分布。
• 采用边缘暗化盘（LDD）模型结合高斯热点模型，以解释干涉观测数据。
• 将观测数据与红超巨星大气三维辐射流体动力学模拟的预测结果进行比较。
• 利用TBL/Narval的光谱偏振数据约束亮度不均匀性的位置与演化。
• 考虑到偏振信号解释中的180°位置模糊性，测试多种热点构型。

实验结果

研究问题

• RQ1 参宿超巨星光球层表面不均匀性的空间结构与时间演化特征是什么？
• RQ2 大尺度亮度特征与对流模式相比，如何影响恒星的干涉特征？
• RQ3 当前的三维RHD模拟在多大程度上能够再现观测到的干涉数据？
• RQ4 观测到的热点是否可与红超巨星质量损失的起始阶段相关联？
• RQ5 光球亮度的非对称性是否与单个大尺度对流细胞或大气延伸一致？

主要发现

• 干涉数据揭示了一个大而持久的热点，其特征宽度约为一个恒星半径，叠加在较小尺度的对流模式之上。
• 该热点最适宜被建模为光球面上非对称分布的高斯特征，其光度延伸至恒星盘外，以匹配观测到的可见度和闭合相位数据。
• 观测到的表面结构对比度和不均匀性均强于三维辐射流体动力学模拟的预测结果。
• 在高空间频率区域，数据与三维RHD模拟存在显著差异，表明当前模型中缺失了某些物理机制。
• 热点位置随时间演变，2014年10月可能观测到两个热点的合并，与光谱偏振数据一致。
• 该大尺度特征的存在表明其可能是周期性质量损失的关键驱动力，或可解释先前研究中观测到的团块状包层环境。