[论文解读] VLTI-GRAVITY measurements of cool evolved stars: I. Variable photosphere and extended atmosphere of the Mira star R Peg

M. Wittkowski, Gioia Rau+8 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 34被引用 6

一句话总结

本研究利用VLTI-GRAVITY光谱干涉测量技术，对Mira型恒星R Peg在四个观测历元中变化的光球层和延伸大气层进行了测量。研究发现，近连续谱半径与可见光光变曲线呈反相关，振幅变化达14%，与动态模型预测一致，但小于CODEX模型的估算值，并揭示了水汽与CO分子层行为的显著差异。

ABSTRACT

Dynamic model atmospheres of Mira stars predict variabilities in the photospheric radius and in atmospheric molecular layers which are not yet strongly constrained by observations. Here we measure the variability of the oxygen-rich Mira star R Peg. We used K band spectro-interferometry with a spectral resolution of about 4000 obtained at four epochs between post-maximum and minimum visual phases employing the newly available GRAVITY beam combiner at the VLTI. Our observations show a continuum radius that is anti-correlated with the visual lightcurve. Uniform disc (UD) angular diameters at a near-continuum wavelength of 2.25 mu are steadily increasing with values of 8.7 mas, 9.4 mas, 9.8 mas, and 9.9 mas at visual phases of 0.15, 0.36, 0,45, 0.53, respectively. UD diameters at a bandpass around 2.05 mu, dominated by water vapour, follow the near-continuum variability at larger UD diameters. UD diameters at the CO 2-0 bandhead, instead, are correlated with the visual lightcurve and anti-correlated with the near-continuum UD diameters. The observed anti-correlation between continuum radius and visual lightcurve is consistent with an earlier study of the oxygen-rich Mira S Lac, and with recent 1D CODEX dynamic model atmosphere predictions. The amplitude of the variation is comparable to the earlier observations of S Lac, and smaller than predicted by CODEX models. The wavelength-dependent visibility variations at our epochs can be reproduced by a set of CODEX models at model phases between 0.3 and 0.6. The anti-correlation of water vapour and CO contributions at our epochs suggests that these molecules undergo different processes along the stellar cycle. The newly available GRAVITY instrument is suited to conducting longer time series observations, which are needed to provide strong constraints on the model-predicted intra- and inter-cycle variability.

研究动机与目标

• 研究氧丰度Mira型恒星R Peg的光球层半径及延伸分子层的变异性。
• 利用高精度干涉观测，检验1D动态模型大气（CODEX）与3D辐射流体动力学（CO5BOLD）模型的预测。
• 确定连续谱、水汽与CO分子带大小相对于可见光变光曲线的相位延迟。
• 评估新型GRAVITY仪器在高精度时序干涉测量演化恒星方面的能力。

提出的方法

• 使用VLT干涉仪上的GRAVITY光束合束器，对R Peg进行多历元近红外K波段光谱干涉测量，光谱分辨率约为4000。
• 在最大亮度之后至最小亮度之间的四个相位对R Peg进行观测，覆盖可见光相位0.15至0.53。
• 测量2.25 µm（近连续谱）、2.05 µm（水汽主导）和CO (2-0) 谱线头（2.3 µm）处的均匀盘（UD）角直径。
• 将观测到的可见度谱和波长依赖的直径变化与1D CODEX动态模型大气和3D CO5BOLD模拟的预测进行比较。
• 将模型连续谱直径作为自由参数，以缩放模型振幅并匹配观测到的变异性，选择相位在0.3至0.6之间的模型。
• 通过比较所有历元的合成可见度谱与观测谱，评估模型拟合效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 R Peg的光球层半径在其脉动周期中如何变化？其是否如动态模型所预测的那样与可见光亮度呈反相关？
• RQ2 分子层（H₂O与CO）的大小与连续谱大小及可见光变光曲线相比如何？它们的相位延迟揭示了大气动力学的哪些信息？
• RQ3 1D CODEX动态模型大气在多大程度上能再现观测到的波长依赖的可见度变化与直径振幅？
• RQ4 观测到的变化与3D辐射流体动力学（CO5BOLD）模型的预测相比如何，特别是在半径变化的不规则性与振幅方面？
• RQ5 新型GRAVITY仪器是否能够实现足够高精度的时序干涉测量，以约束演化恒星的周期内与周期间变异性？

主要发现

• R Peg的近连续谱均匀盘（UD）角直径从相位0.15时的8.7 ± 0.1 mas稳步增加至相位0.53时的9.9 ± 0.1 mas，与可见光光变曲线呈反相关。
• 水汽主导波段（2.05 µm）的UD直径更大（10.7–11.7 mas），并与可见光光变曲线呈反相关，与亮度最小值期间光球层膨胀的预测一致。
• CO (2-0) 谱线头直径（12.3–11.7 mas）与可见光光变曲线呈正相关，与近连续谱直径呈反相关，表明其大气响应机制不同。
• 观测到的近连续谱直径变化振幅（14%）与S Lac（19%）相近，但小于CODEX模型的预测值（45–67%）。
• 一组相位在0.3至0.6之间的CODEX模型能较好地拟合观测到的波长依赖可见度谱及其在各历元中的演化。
• 3D CO5BOLD模型显示出不规则的半径与光度变化，振幅高达14%，与观测到的R Peg变化更为接近，优于CODEX模型，但需更密集的相位采样才能进行直接比较。