参宿四的邻近星周环境

(与这篇文章相关的一些科学报道近日在各种科学blog和网站上被反复转载,因为它的观测目标:参宿四,被看作一颗会在将来未知的某个时间内变成II型超新星在离我们“很近”的地方爆发的恒星,不仅为各种2012爱好者津津乐道,更是有很多天文爱好者在了解到这颗恒星对地球没有威胁后,纷纷表示盼着它爆掉,好带着老婆看Supernova。。。我特别挑了这两篇文章给大家介绍一下这颗当红的恒星,从科学的角度让大家认识一下他)

标题:The close circumstellar environment of Betelgeuse

  • Paper I: Adaptive optics spectro-imaging in the near-IR with VLT/NACO
  • 作者:Pierre Kervella (LESIA), Tijl Verhoelst, Stephen T. Ridgway (NOAO), Guy Perrin (LESIA), Sylvestre Lacour (LESIA), Jan Cami, Xavier Haubois (LESIA)
  • 论文索引:astro-ph:0907.1843
  • Paper II: The close circumstellar environment of Betelgeuse – II. Diffraction-limited spectro-imaging from 7.76 to 19.50 microns with VLT/VISIR
  • 作者:Pierre Kervella (LESIA), Guy Perrin (LESIA), Andrea Chiavassa, Stephen T. Ridgway (NOAO), Jan Cami, Xavier Haubois, Tijl Verhoelst
  • 论文索引:astro-ph:1106.5041
  • 编辑供稿: 黄崧 (南京大学)

    背景知识:

    首先,认识一下参宿四

    参宿四,英文名Betelgeuse (/ˈbɛtəldʒuːz/),全天第8亮星,猎户座第二亮星,可能没有天文爱好者不知道这颗恒星了吧,对于天文学家,参宿四依然有很重要的意义:在红外波段,参宿四这颗红超巨星是全天最亮的恒星之一,而且是全天角直径最大的恒星(K波段角直径为∼44 mas),甚至不需要干涉仪,地面和空间的望远镜都能够把这颗恒星分解开;参宿四的光谱型为M2Iab,而且有着不规则的流量起伏,但这颗恒星又不像脉动变星那样有剧烈的半径起伏;这颗恒星的年龄被估计在1000万年左右,可能是从猎户座的OB1星协中“逃逸”出来的,因为质量很大,现在已经处于了演化的最后阶段,很可能会以II型超新星来结束他光荣的一生,这也是为啥最近他如此热门的原因,不过天文学家研究参宿四,远远不只如此。

    然后,研究参宿四能告诉我们什么

    参宿四虽然非常明亮,而且离我们非常的近,但是在天文学家眼中,依然有很多的未解之谜,其中最主要的三条是:1. 恒星的对流结构,2.恒星的质量损失机制,3.星周环境中尘埃形成的机制。和我们前面介绍过的Mira一样,参宿四也有强烈的红外超,意味着星周环境中有丰富的尘埃和分子气体;但和 Mira 这样的AGB星不同,参宿四没有规则,明显的半径脉动,而且其尘埃质量损失率不与光度相关,证明我们对红超巨星的晚期演化还不够了解,但根据猜测,其质量损失可能与特殊的对流机制产生的湍动压力有关。确实,参宿四的对流模式非常特殊和不规则,天文学家已经发现这颗恒星表面观测到的类似于对流泡 (convection cell)的结构的大小可以超过恒星的半径,并伴随着超过局域绝热声速产生的激波,这个过程很可能对质量损失有贡献;此外,天文学家们已经在参宿四表面发现了磁场结构,并推测,由磁场产生的Alfen波 (等离子体中的低频磁流体力学波),虽然还不确定,但是在干涉仪或者高分辨率观测下,不同角度的证据正在慢慢的拼凑起来。

    关于晚型恒星的质量损失,早就通过在几百个恒星半径之外发现大量尘埃而被证实,但是具体的质量损失机制依然不是非常的清楚,不过在观测和理论上都有了一些进展,主要的发现就是恒星周围一个被称为MOLsphere的致密的复杂分子结构的存在,这个结构最早是在参宿四和μ Cep这两颗红超巨星的光谱观测中被作为假设提出的,在随后的干涉仪光谱观测中被证实,对于参宿四,我们对于他的MOLsphere的大小和组成都有了一定的了解,但与具体解释清楚尘埃的形成机制还是有一定的距离。综上所述,参宿四和Mira一样,都是一个重要的恒星物理研究的“实验室”,受益于他们的近距离优势,对他们进行高分辨的观测研究可以带给我们关于恒星演化晚期,与星际介质相互作用的很多具体信息。

    两篇工作用到的仪器

    这里介绍的两篇文章用到的仪器都是VLT望远镜上面的设备,可能大家不太熟悉,值得稍微介绍一下:

  • 1.NaCo (Nasmyth Adaptive Optics System (NAOS) + Near-Infrared Imager and Spectrograph (CONICA)): 这是位于VLT UT4上面的Nasmyth平台上的结合了自适应光学系统的近红外照相机和光谱仪,有多种观测模式,文章中使用的就是被称为Cube模式的强大模式,在这个模式下,天文学家可以利用探测器的一部分做极短时间的曝光 (7.2毫秒),这样有利于真正的做到衍射极限下的观测。
  • 2.VISIR (VLT Imager and Spectrometer for mid Infrared): 这是VLT UT3上面的中红外观测设备,工作在地面上两个相对不错的中红外窗口:N-band (8到13μm) 和 Q-band (16.5到24.5μm) ,除了成像外,还可以做分辨率 150到30000 之间的光谱观测。为了克服大气扰动的影响,本文观测中使用了被称为BURST的观测模式,和上面的Cube模式类似,都是可以让天文学家做大量短曝光,从而起到“冻结”扰动的目的。
  • 关于仪器的具体信息,以及观测中的各种校准和注意事项,请参考文章和我们给出的延伸阅读。

    本文工作:

    这里主要介绍的PaperII是PaperI工作的延伸,在PaperI中,作者利用NaCo设备的cube模式,通过从大量曝光中选择有效成像的方式获得了参宿四在1.04−2.17微米之间10个窄带波段的衍射极限分辨图象。在这些观测中,已经展示出了参宿四星周环境中复杂和不规则的结构,其中最为显著的是向西南方向延伸出6个光球半径以上的羽毛状结构;观测中可能还认证出了CN分子的存在,这种分子在后红巨星 (Post-RGB star) 的演化包层中广泛存在;这些结果已经让我们看到了参宿四质量损失谜团中的一点儿证据,然而,还是缺乏对尘埃分布的直接了解,因此,作者们做了VISIR设备下的中红外观测。

    观测使用了8个窄带波段的成像观测,这些波段的选择特别照顾到了一些重要的尘埃谱线和其他发射线,比如8.59微米和11.25微米的PAH1和2滤光片是为了重要的小分子多环芳香烃 (PAH) 特别准备的;10.49微米的SIV和12.81微米的NeII波段则是为了照顾这两条重要的发射线。所有的观测滤光片的透过曲线见下图:


    fig1

    Fig.1: 观测中使用的VISIR滤光片的透过曲线。


    fig2

    Fig.2: 利用对PSF校准星观测得到的各种亮度分布轮廓展示消除饱和影响的重要性

    地面中红外观测,尤其是这里使用的特殊BURST观测模式,有很多需要注意的地方,在得到观测结果后的数据处理中,也有很多特殊的步骤,比如PSF核心由于观测目标过亮产生的饱和,这样的饱和不仅会损失掉中心的流量信息,还会产生一系列,主要是条状的假结构,对饱和的处理在本文中非常重要;此外,对于PSF的校准和扣除,图象的解卷积等等步骤,文中也都有特别的说明,不过我个人暂时没有能力详细介绍,这里只用几幅图简单说明一下,具体还请参考文章本身。


    fig3

    Fig.3: PAH1波段下的参宿四,左图中可以看到由于饱和产生的各种虚假结构,右图为改正后的图象。


    fig4

    Fig.4: VISIR 8个波段的最终观测结果,其中每个波段对应的作图为PSF校准星的观测,右图为参宿四的图象;注意到在几个波段上,参宿四展示出了复杂而延展的结构


    fig5

    Fig.5: 利用了PAH2波段展示出了PSF扣除和图象解卷积的效果和重要性,右图为最终得到的参宿四星周环境图象


    fig6

    Fig.6: VISIR 8个波段下的参宿四星周环境,图象上按照一定流量强度覆盖了等高线图;某些波段的中心黑点表示收到饱和的影响而被移除。

    主要结论:

    本文最主要的结论其实就是上面得到的8个波段下的参宿四星周环境 (CSE:Circum-Stellar Environment) 的图象,这些图象再次很好的展示出了参宿四周围的复杂结构,和近红外的图象不同,这些波段的图象显示出的星云状结构直接提供了尘埃分布和组成的信息。除了上面的直观图象,下面的两幅图还具体解释了参宿四周围的一些主要结构和不同波段的流量随半径分布轮廓的不同。在这些复杂的图象中,可以简单的总结出几个主要的结论:


    fig7

    Fig.7: 参宿四星周星云中主要确认出的结构,背景图象为SIV波段的灰度图象。


    fig8

    Fig.8: 不同波段观测图象的角向分布平均的轮廓。

    1. 观测确认出了3个不同方向延伸的羽状结构 (图7中标注为1,2,3的结构),确认了距离参宿四0.9″的一个shell结构,以及外围的很多节点 (knot) 状结构。
    2. 整个星云的光度在波长大于8-9微米的测光波段上看上去更亮,这可能与尘埃的组成有关,根据估计,可能意味着富氧尘埃的广泛存在 (多为Si和Al的氧化物)
    3. 0.9″处的shell结构的谱能量分布和整个星云并无太大区别,这个shell结构可能正是在“不久以前”非各向同性的质量损失增强,以及尘埃在某个半径处聚集的证据。
    4. 与PaperI中近红外波段的中心更小范围处的观测对比,可以发现,虽然不同波段,但是观测到的羽状结构有明显的联系。
    5. 外围观测到的丰富的纤维状和节点状的结构,也是“近期”不规则的质量损失的直接证据,这里的“近期”大概是几个世纪以前的样子。

    结合上面的观测结论,作者对参宿四的各种活动的时标,与之前光学红外观测的对比和参宿四可能的伴星等相关问题做了简单的讨论,作者还提出,下一步的观测计划应该是有空间分辨的光谱观测了。看到这里,可能有很多同学都会问,这样的观测具体的科学意义何在?可能很多同学眼中,这样的工作更像是一种简单的,完全唯像的描述,缺乏具体的物理意义;可能只有当你自己接触了天文观测的工组之后才能很好的理解为什么我们要说天体物理学是一门观测学科了吧,所有的恒星结构,演化理论,尽管存在了100多年,取得了很多的成功,但依然有很多的问题,而且,随着对恒星观测的渗入,包括有空间分辨观测的加入,问题还会越来越多,所有这些模型和理论,第一,必须能够在新的更好的观测下生存下来,不断的尝试解决各种新的问题;第二,必须借助新的观测来延伸模型本身的覆盖和能力,比如这里涉及的大质量恒星演化晚期的质量损失;在所有这些工作中,直接的观测证据,处于最核心和最基础的位置上,暂且不说获得这样的观测的技术难度有多大,仅仅是漫长和耐心的数据采集和积累的过程,就是非常值得尊重的;国内的天文教育中可能相对缺乏对这样工作的介绍,可能在本科阶段也少有同学能真正意识到观测的重要,我个人会争取在将来利用Astroleaks多介绍一些这样的基本的观测工作,希望可以让同学们能越来越清晰的认识到观测的意义和重要。最后,我们用一张漂亮的多色合成图象来结束本文


    fig9

    Fig.9: 两篇文章观测结果得到的多波段合成图象,其中PaperI中的AO观测结果显示在图象中心,外围图象由PAH1(黄色),SIV(橘黄色)和Q1(红色)波段组合而成。

    延伸阅读:

  • 1. ESO VLT上的NaCo自适应光学红外成像设备
  • 2. ESO VLT上的VISIR中红外成像设备
  • 3. Discovery网站上关于为啥参宿四不会在2012年炸掉的科普解释
  • 4. Sarah Kendrew,一位在JWST MRI设备组里工作的天文学家对本文工作的介绍
  • 5. ESO 自己主页上对这项工作的详细介绍,有非常漂亮的科学想象图
  • 6. HST对参宿四的直接成像观测
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    4 Replies to “参宿四的邻近星周环境”

    1. NGC2264

      Chromium 5.0.375.70 Linux

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      Si V, PAH2 南北向的结构很像disk或者jet,这个既然视角直径很大,不知道能否测出来旋转方向和速度

      • Song Huang

        Chrome 12.0.742.112 MacIntosh

        PAH的不同谱线来自于不同大小的PAH分子的C-C和C-H键的“拉伸”和“转动”,不同的PAH线反应了不同大小的PAH分子的相对丰度吧,但是应该是说,不同的PAH分子对这些个特征的谱线都会有一定的贡献,只是相对的强度不同吧

    2. Y.G.

      Chromium 6.0.472.63 Linux

      8,11micro示踪小分子多环芳香烃(PAH)??这什么东西?看这个有什么用?能得到什么信息?

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