[论文解读] V838 Monocerotis as seen by ALMA: a remnant of a binary merger in a triple system

T. Kamiński, R. Tylenda+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 91被引用 23

一句话总结

本研究首次对V838 Monocerotis进行了高分辨率ALMA观测，时间距离其2002年红新星爆发已17年，揭示了合并残骸周围存在团块状、类似红超巨星的星风，并首次直接探测到距离约250 au的B型伴星。数据表明存在一个盘状结构（104 × 45 au），且B型恒星的辐射、星风与合并喷发物质之间存在强烈相互作用，包括激波驱动的化学反应和尘埃亚稳化，证实该系统起源于三合星系统合并，具有极端质量损失和复杂的流体动力学特征。

ABSTRACT

V838 Mon erupted in 2002 quickly becoming the prototype of a new type of stellar eruptions known today as (luminous) red novae. The red nova outbursts are thought to be caused by stellar mergers. The merger in V838 Mon took place in a triple or higher system involving two B-type stars. We mapped the merger site with ALMA at a resolution of 25 mas in continuum dust emission and in rotational lines of simple molecules, including CO, SiO, SO, SO$_2$, AlOH, and H$_2$S. We use radiative transfer calculations to reproduce the remnant's architecture at the epoch of the ALMA observations. For the first time, we identify the position of the B-type companion relative to the outbursting component of V838 Mon. The stellar remnant is surrounded by a clumpy wind with characteristics similar to winds of red supergiants. The merger product is also associated with an elongated structure, $17.6 imes 7.6$ mas, seen in continuum emission, and which we interpret as a disk seen at a moderate inclination. Maps of continuum and molecular emission show also a complex region of interaction between the B-type star (its gravity, radiation, and wind) and the flow of matter ejected in 2002. The remnant's molecular mass is about 0.1 M$_{\odot}$ and the dust mass is 8.3$\cdot$10$^{-3}$ M$_{\odot}$. The mass of the atomic component remains unconstrained. The most interesting region for understanding the merger of V838 Mon remains unresolved but appears elongated. To study it further in more detail will require even higher angular resolutions. ALMA maps show us an extreme form of interaction between the merger ejecta with a distant (250 au) companion. This interaction is similar to that known from the Antares AB system but at a much higher mass loss rate. The B-type star not only deflects the merger ejecta but also changes its chemical composition with an involvement of circumstellar shocks.

研究动机与目标

• 在V838 Monocerotis于2002年爆发红新星约17年后，表征其合并残骸，以理解系统的结构与合并物理机制。
• 利用高角分辨率ALMA观测，解析尘埃与气体在包周环境中的空间分布。
• 确定B型伴星在塑造喷流、改变化学组成以及通过辐射、引力和星风相互作用影响质量损失中的作用。
• 约束残骸的物理与化学性质，包括尘埃与分子质量，并检验三合星系统中双星合并的模型。
• 研究合并喷发物质的长期演化及其与遥远B型伴星的相互作用，特别是通过激波特性和尘埃亚稳化机制。

提出的方法

• 在20 mas角分辨率（距离5.9 kpc处为148 au）的band 6波段进行高分辨率ALMA观测，覆盖连续谱尘埃发射及CO、SiO、SO、SO2、AlOH和H2S的旋转谱线。
• 采用辐射转移建模重现残骸的三维结构，整合尘埃发射、分子谱线轮廓与速度场。
• 在CASA中应用自校准与基于可见度的成像处理干涉数据，但自校准效果不佳，故保留原始校准结果。
• 通过引力与辐射压力作用下的粒子轨迹，模拟B型星与喷发物质之间的动力学相互作用，尘埃亚稳化温度约为Td ≈ 1250 K（对应rd ≈ 13 au）。
• 利用动量通量平衡公式计算停止半径（rstop）与激波半径（rsh）：N₀v₀² = Nwv_w²，其中rsh ∝ (Ṁw v_w / (N₀ v₀²))¹ᐟ²。
• 模拟辐射压力与引力对喷发物质流的影响，包括在B型星后方形成圆锥形空腔与湍流尾迹，其行为对流速与尘埃亚稳化敏感。

实验结果

研究问题

• RQ1 B型伴星相对于合并残骸的位置如何？其轨道分离距离是多少？
• RQ2 合并喷发物质的三维结构是怎样的？与红超巨星星风相比有何异同？
• RQ3 B型星的辐射与星风如何与合并喷发产生的慢速、富含尘埃的物质相互作用？
• RQ4 激波区域的物理条件（密度、温度、速度）如何，其对分子化学有何影响？
• RQ5 残骸中尘埃与分子组分的质量是多少？其随时间如何演化？

主要发现

• 首次通过ALMA成像直接确认V838 Mon的B型伴星位于投影分离距离约250 au处。
• 合并残骸被一团团块状、类似红超巨星的星风包围，分子质量约为0.1 M⊙，尘埃质量为8.3 × 10⁻³ M⊙。
• 在连续谱发射中探测到一个拉长的盘状结构（17.6 × 7.6 mas，即104 × 45 au），被解释为以中等倾角观测到的富含尘埃的盘。
• B型星的辐射与星风在喷发物质中形成圆锥形空腔与湍流尾迹，激波前缘由超音速流动与动量传递引起。
• 尘埃在距离B型星约13 au处发生亚稳化，阻止吸积，并在v₀ = 250 km s⁻¹条件下于r_stop ≈ 2.3 au处形成稀薄而高温的激波区域。
• B型星与喷发物质的相互作用比Antares AB系统更为剧烈，表现为更高的质量损失率与显著的化学改性效应，主要由激波驱动。