[论文解读] What causes the large extensions of red-supergiant atmospheres? Comparisons of interferometric observations with 1-D hydrostatic, 3-D convection, and 1-D pulsating model atmospheres

B. Arroyo-Torres, M. Wittkowski+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 80被引用 34

一句话总结

本研究利用VLTI/AMBER对V602 Car、HD 95687和HD 183589的光谱干涉观测，探究红超巨星（RSGs）中延伸分子大气层的成因。尽管PHOENIX 3D对流和1D脉动模型均能匹配光球层通量，但均无法再现CO和H2O吸收带中的可见度下降，表明大气延伸超出1–2倍恒星半径。关键发现为：仅靠对流或脉动无法解释该延伸；相反，多普勒频移分子线上的辐射加速度是最合理的机制，其支持依据为延伸程度与光度（>~10⁵ L⊙）和表面重力（log g < 0）的相关性。

ABSTRACT

We present the atmospheric structure and the fundamental parameters of three red supergiants, increasing the sample of RSGs observed by near-infrared spectro-interferometry. Additionally, we test possible mechanisms that may explain the large observed atmospheric extensions of RSGs. We carried out spectro-interferometric observations of 3 RSGs in the near-infrared K-band with the VLTI/AMBER instrument at medium spectral resolution. To comprehend the extended atmospheres, we compared our observational results to predictions by available hydrostatic PHOENIX, available 3-D convection, and new 1-D self-excited pulsation models of RSGs. Our near-infrared flux spectra are well reproduced by the PHOENIX model atmospheres. The continuum visibility values are consistent with a limb-darkened disk as predicted by the PHOENIX models, allowing us to determine the angular diameter and the fundamental parameters of our sources. Nonetheless, in the case of V602 Car and HD 95686, the PHOENIX model visibilities do not predict the large observed extensions of molecular layers, most remarkably in the CO bands. Likewise, the 3-D convection models and the 1-D pulsation models with typical parameters of RSGs lead to compact atmospheric structures as well, which are similar to the structure of the hydrostatic PHOENIX models. They can also not explain the observed decreases in the visibilities and thus the large atmospheric molecular extensions. The full sample of our RSGs indicates increasing observed atmospheric extensions with increasing luminosity and decreasing surface gravity, and no correlation with effective temperature or variability amplitude, which supports a scenario of radiative acceleration on Doppler-shifted molecular lines.

研究动机与目标

• 确定三颗红超巨星（RSGs）V602 Car、HD 95687和HD 183589的大气结构与基本参数。
• 检验对流、脉动或辐射过程是否为RSG大气中观测到的分子层显著延伸的驱动力。
• 评估当前1D静力平衡、3D对流和1D脉动模型大气在重现干涉可见度数据方面的局限性。
• 识别在RSG大气中使分子层脱离光球层而悬浮的主导物理机制。
• 探讨光度和表面重力在决定RSG大气延伸程度中的作用。

提出的方法

• 利用VLTI/AMBER仪器在K波段（1.92–2.47 μm）进行近红外光谱干涉观测，光谱分辨率为中等（R ~ 1500）。
• 测量连续谱可见度和分子带可见度（CO 2-0和H2O），以推断光球层之外的的大气延伸。
• 将观测到的可见度曲线与1D静力平衡PHOENIX模型、3D辐射流体动力学（RHD）对流模拟以及新的1D自激脉动模型预测结果进行比较。
• 计算连续谱与CO带心区域的可见度比值，以量化大气延伸的程度。
• 利用有效温度、光度和Rosseland半径将目标星定位在赫罗图（HR图）中，并与演化轨迹进行比较。
• 分析大气延伸（可见度下降）与恒星参数（光度、表面重力、有效温度和变幅）之间的相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 红超巨星中观测到的大气延伸（由分子带中干涉可见度下降揭示）的成因是什么？
• RQ2 1D静力平衡、3D对流或1D脉动模型大气能否重现RSG的观测可见度曲线？
• RQ3 分子层延伸程度是否与光度、表面重力、有效温度或变幅等恒星参数存在相关性？
• RQ4 RSG中的观测延伸与米拉变星中的延伸相比如何？这对其潜在物理机制有何启示？
• RQ5 多普勒频移分子线上的辐射加速度是否是RSG大气中分子层悬浮的可行机制？

主要发现

• V602 Car、HD 95687和HD 183589的近红外通量光谱被1D静力平衡PHOENIX模型大气良好拟合。
• 连续谱可见度测量与PHOENIX模型预测的边缘暗化盘一致，从而可准确测定角直径和基本参数。
• 所有模型大气——PHOENIX、3D对流和1D脉动——均预测紧凑结构，无法再现CO（2.3–2.5 μm）和H2O（1.9–2.1 μm）带中观测到的强烈可见度下降。
• 观测到的大气延伸尺度与米拉星相当，可延伸至数倍恒星半径，但所有测试模型均无法预测该现象。
• 大气延伸与光度（>~10⁵ L⊙）和表面重力（log g < 0）存在显著相关性，但与有效温度或变幅无关。
• 结果支持一种情景：多普勒频移分子线上的辐射加速度是RSG大气中分子层悬浮的主导机制，尘埃形成可能发生在更大半径处，并由辐射压力或磁效应进一步加速。