full stokes (iquv) spectropolarimetry of agb and post agb

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Full Stokes (IQUV) spectropolarimetry of AGB and postAGB stars : probing surface magnetism and atmospheric dynamics Agnès Lèbre, University of Montpellier, France Agnes.Lebre@univmontp2.fr 1 IAU Symposium 305Punta Leona, Costa Rica

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Full Stokes (IQUV) spectropolarimetry of AGB and post‐AGB stars :  

probing surface magnetism and atmospheric dynamics 

Agnès Lèbre, University of Montpellier, FranceAgnes.Lebre@univ‐montp2.fr

1IAU Symposium 305‐ Punta Leona, Costa Rica

Eric Josselin, Benjamin Tessore, University of Montpellier & LUPM/CNRS, FranceMichel Aurière, Philippe Mathias, Pascal Petit, Univ. of Toulouse & IRAP/CNRS, France

Denis Gillet, Observatoire Haute Provence, FranceNicolas Fabas, Kiepenheuer‐Institute, Freiburg, Germany

2IAU Symposium 305‐ Punta Leona, Costa Rica

Full Stokes Spectropolarimetry from Narval instrumentat Télescope Bernard Lyot, Pic du Midi Observatory, France

My collaborators :

IAU Symposium 305‐ Punta Leona, Costa Rica 3

Outlines :

‐ Cool and evolved stars : AGB and Post‐AGB

‐ Surface Magnetic Fields :  Circular Polarisation (Stokes V)

‐RGB & early‐AGB magnetic fields

‐TP‐AGB magnetic fields (Mira stars) 

‐Post‐AGB stars (RV Tauri stars) / PN magnetism

- RSG magnetic fields (e.g. : Betelgeuse) ‐> see Poster B14 ( E. Josselin)

Active giants (global dynamo)Descendant of Ap stars (magneto‐convection)

Amplification by shock waves ?

Turbulent dynamo

‐ Atmospheric dynamics :   Linear Polarisation (Stokes Q and U)in the S‐type Mira star : χ Cyg ;    in the  RV Tauri star : R Sct

AGB :Cool (Teff <4 000K) and evolved radially pulsating stars= Mira stars 

At the tip of the  AGBHigh mass loss rate 

Post‐AGB/proto NP :4 000 K < Teff  < 6 000 Kradially pulsating stars= RV Tauri stars 

Evolution of lowand intermediatemass stars 

IRC 10216

Egg Nebula

Bug Nebula

IRAS 13208‐6020Ring Nebula

During the transition from AGB to PN : 

Severe change of the morphology  of the circumstellar envelope of an AGB(departure from spherical symmetry)

Binarity ? Magnetic fields ?

and

Observational evidences of magnetic fieldsaround PNe and AGB /post‐AGB(see works of V. Vlemmings ; L. Sabin)

HST images

(From Kwok,1987)

(From , Amiri Ph.D. 2011)

4IAU Symposium 305‐ Punta Leona, Costa Rica

5IAU Symposium 305‐ Punta Leona, Costa Rica

AGB stars : He‐ and H‐shell burning phase

Teff 4000‐2500 K ; log g  0 − 2

Convection :Large‐scale convective motions in an extendedatmosphere,  with a few granules /giant cells covering the surface (Schwarzschild 1975)

Radiative hydrodynamic simulations (Chiavassa+ 2010)

Cool and Evolved Stars 

Freytag & Hofner 2008 3D simulation of the atmosphere of an AGB

Pulsations :In Mira stars (AGB) :  stellar pulsations are expected  to (periodically) generate radiative shocks waves => convection‐pulsation

And also in the pulsating RV Tauri stars (Post‐AGB )

Mass‐loss : In Miras levitation due to pulsations + radiation pressure on dust (Höfner, 2011)

IAU Symposium 305‐ Punta Leona, Costa Rica 6

Magnetic fields in Mira stars (Thermal ‐Pulsing AGB  with 2‐4 M_sun) :

Circumstellar magnetic field  through CSE from Masers SiO & CN lines  Geometry of the field : B ~ 1/r ...      (Herpin et al. 2006 & 2009 ; Vlemmings et al., 2011)

Hydrogen Balmer lines in emission

=> shock wave (atmospheric dynamics)

o Ceti and R Leo (M‐type Mira stars) :

‐ photospheric field (~  a few G) expected  from theoretical works (Thirumalai et al. 2013)=> not detected with Narval … so far ?

χ Cyg (S‐type Mira star) :

1st Mira star with a positive detection of a weak photospheric magnetic field.Detected through circular polarization – with Narval  (Lèbre et al. 2014)    

Connexion surface magnetic field ‐ atmospheric dynamics / shock waves

Associated linear polarization @ max.  light (Fabas et al. 2011)

IAU Symposium 305‐ Punta Leona, Costa Rica 7

First detection of a surface magnetic field on a Mira starNarval observations of  χ Cyg around its 2012 maximum light 

Definite Detectionχ2=1.81 , fap=5.2 10‐10

a (magnetic) Zeeman effect origin

Stokes I profile : typical line doubling of metallic lines  due to a shock wave in the atmosphere.Stokes V signal  : associated  to the blue component of the I profile

(Lèbre et al. 2014)

Surface field estimation : 2‐3 G

IAU Symposium 305‐ Punta Leona, Costa Rica 8

Magnetic fields in Post‐AGB stars (including RV Tauri stars) :

Detection of large scale magnetic fields in the circumstellar environment  mainly from radioastronomy(Sabin et al. 2013 ; Vlemmings et al. 2011)

RV Tauri stars : U Mon, R Sct (K0‐type) :1st  positive detections of a photospheric magnetic field through circular polarization – with ESPaDOnS and Narval      (Sabin et al. 2014, MNRAS in press)

arXiv:1410.6224

Planetary Nebulae :Detection of large scale magnetic fields in the nebulaeCentral star : null or inconclusive detections (Jordan+2012 ; Leone+2014, Steffen+2014)

IAU Symposium 305‐ Punta Leona, Costa Rica 9

1 – 21-23 July 2014 2 – 01-03 September 20143 – 10-12 September 2014

Spectropolarimetric monitoring of pulsating variables : R Sct

Impact of atmospheric shock waves ?

IAU Symposium 305‐ Punta Leona, Costa Rica 10

1

2 3

1: DD Bl = 0.6 +/- 0.72 G

2: MD Bl = -0.23 +/- 0.72 G

3: ND Bl = -1.62 +/- 0.83 G

(Sabin et al., 2014 MNRAS 446, 1988)

R SctCircular polarization (Stokes V)

R SctLinear polarization (Stokes U  & Q)

11IAU Symposium 305‐ Punta Leona, Costa Rica

1

2 3

1: U: ND ; Q : DD

2: U : DD ; Q : DD

3: U : DD ; Q : DD

LSD profiles : Thousand lines involved !

IAU Symposium 305‐ Punta Leona, Costa Rica 12

R Sct : Linear polarization detected in individual lines !

[email protected] nm  R Sct – 01 Sept. 2014 [email protected] nm 

Linear polarization (Stokes U  & Q)  around the maximum light of 2007 

Stokes Q (1 sequence) : Definite Detection (χ2=3.01)

Stokes U (1 sequence) :Definite Detection(χ2=4.57)

Stokes V (1 sequence) : No Detection (χ2=1.16) Noise level ~ 0.5 10‐4

→ The shock favours a direc on, inducing a net linear polariza on.In agreement with Fabas et al., 2011

→  Departure from spherical symmetry at the photospheric level.also seen from interferometric data (Ragland et al., 2006)

The Mira star,  Χ Cyg :

Q/U ~1

13IAU Symposium 305‐ Punta Leona, Costa Rica

LSD profiles : thousand lines involved !

IAU Symposium 305‐ Punta Leona, Costa Rica 14

χ Cyg : Linear polarizationalso detected in individual lines !

[email protected] nm

[email protected] nm

Sto

kes

IS

toke

s U

Sto

kes

Qcoherent scattering

IAU Symposium 305‐ Punta Leona, Costa Rica 15

Linear polarization in χ Cyg (Mira star)  and R Sct (RV Tauri star)     

Scattering

Polarization of the continuum : assuming pure Rayleigh scattering,   pL ~ 2% in the blue (variable with λ)

Polarization in the atomic lines :‐ Partial depolarization in lines due to collisions (indirect measurement of NLTE effect ?) 

‐ In the case of the Sun (2nd Solar spectrum) => coherent scattering

Hanle effect : coherent scattering + weak magnetic field=> A measurement of weak  surface magnetic fields in stars ?

Linear polarization in the lines (individual / global) :‐ Detected in AGB (Miras), in Post‐AGB (RV Tauri)  + time variable ‐ Also detected in Red Supergiants‐ But not detected in RGB / early‐AGB

In AGB and Post‐AGB : Toward a second stellar spectrum ?

IAU Symposium 305‐ Punta Leona, Costa Rica 16

(Konstantinova‐Antova et al. 2014, UAI 302)

Magnetic RGB with Bl < 1 Gauss (Pollux)

« 2nd magnetic strip » :

Tip RGB / AGB

‐ low  surface rotation ‐ convection=> Local dynamo ?

Exploration of unbiased sample :

40 Red Giants (magV < 4)Incl. M giants

Observations/detection of 24 giantswith activity signatures+ 6 bright giants

The most active magnetic giants are concentrated in a 

« Magnetic Strip » :

1rst Dredge‐up and Core Helium burning phases.

Evolutionnary models including rotation (Charbonnel et al., in prep.) 

(Aurière et al., 2014, A&A, in press)arXiv:1411.6230

RGB & AGB  surface  magnetic fields

~ 50 % of RGB with a magnetic field above the Gauss levelMagnetic field and activity is more common than expected !