[論文レビュー] A multi-wavelength view of AB Dor's outer atmosphere - Simultaneous X-ray and optical spectroscopy at high cadence

S. Lalitha, B. Fuhrmeister+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2013

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 51被引用数 15

ひとこと要約

本研究は、超高速回転星AB Dor Aにおける最初の同時高タイムスケール（約50秒）かつ高分解能（R ≈ 50,000）なX線および可視光分光測定を報告し、主要なフレア発生直後の数分間に、コアスフィア線において乱流およびスターリング幅拡大が発生していることを明らかにした。主な発見として、HαおよびCa ii K線における短時間持続（数分未塔）の高ドップラー速度発光部分成分がフレア関連の衝撃波であると特定され、コアスフィアおよびコロナデータから得られた一貫したフレア充填率（1–2％）が、局所的で強力な磁気エネルギー放出を示している。

ABSTRACT

We study the chromosphere and corona of the ultra-fast rotator AB Dor A at high temporal and spectral resolution using simultaneous observations with XMM-Newton in the X-rays, VLT/UVES in the optical, and the ATCA in the radio. Our optical spectra have a resolving power of ~50 000 with a time cadence of ~1 min. Our observations continuously cover more than one rotational period and include both quiescent periods and three flaring events of different strengths. From the X-ray observations we investigated the variations in coronal temperature, emission measure, densities, and abundance. We interpreted our data in terms of a loop model. From the optical data we characterise the flaring chromospheric material using numerous emission lines that appear in the course of the flares. A detailed analysis of the line shapes and line centres allowed us to infer physical characteristics of the flaring chromosphere and to coarsely localise the flare event on the star. We specifically used the optical high-cadence spectra to demonstrate that both, turbulent and Stark broadening are present during the first ten minutes of the first flare. Also, in the first few minutes of this flare, we find short-lived (one to several minutes) emission subcomponents in the Hα and Ca ii K lines, which we interpret as flare-connected shocks owing to their high intrinsic velocities. Combining the space-based data with the results of our optical spectroscopy, we derive flare-filling factors. Finally, comparing X-ray, optical broadband, and line emission, we find a correlation for two of the three flaring events, while there is no clear correlation for one event. Also, we do not find any correlation of the radio data to any other observed data.

研究の動機と目的

• AB Dor A、すなわち若年で超高速回転するK型矮星であり、極めて顕著なコアスフィアおよびコロナ活動を示す対象における磁気活動の多波長ダイナミクスを調査すること。
• X線、可視光、電波帯域におけるフレアイベントの時間的・スペクトル的変化を、類似例のない高タイムスケールと分解能で解明すること。
• フレア中のコアスフィアおよびコロナの物理的状態、特に温度、密度、元素比、および充填率を特定すること。
• フレア時および静穏時におけるX線、可視光、電波放射の相関関係を検証すること。
• 高タイムスケール可視光線分光プロファイルにおける回転周期調制および衝撃波の兆候を検討すること。

提案手法

• XMM-Newton（X線）、VLT/UVES（可視光、R ≈ 50,000）、ATCA（電波）を用いた同時観測で、約16時間にわたり1.3個以上の星の自転周期をカバーした。
• 高タイムスケール可視光分光測定（約50秒のタイムスケール、25秒露光）により、フレア発生中の急速な線分光プロファイル変化を追跡可能となった。
• X線スペクトル解析により、XMM-Newton EPIC-pnおよびRGSデータからコロナ温度、放射度、電子密度、および元素比が導出された。
• 可視光線分光プロファイル解析により、HαおよびCa ii K線における乱流およびスターリング幅拡大が定量化され、短時間持続の部分成分が衝撃波の兆候であると特定された。
• フレア充填率は、コアスフィア線放射およびコロナX線放射の両方から推定され、流体力学的ループモデルによる妥当性確認が行われた。
• 回転周期調制は、X線および電波帯域の光度曲線と位相折りたたみ光度曲線の比較により評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AB Dor Aにおける星のフレア初期段階で、コアスフィア発光線の幅拡大を引き起こす物理的メカニズムは何か？
• RQ2 フレア発生時、X線、可視光、電波放射間に相関関係が認められるか。もしあるならば、どのような条件下で認められるか？
• RQ3 HαおよびCa ii K線に観測された短時間持続で高ドップラー速度の発光部分成分は、コアスフィア衝撃波として特定可能か？
• RQ4 コアスフィアおよびコロナにおけるフレア領域の推定充填率は何か。また、異なる波長帯で一致するか？
• RQ5 強いフレア活動が存在する中で、X線または電波放射の回転周期調制は検出可能か？

主な発見

• 最初のフレア発生直後の数分間、HαおよびCa ii K線に短時間持続（1–4分）の発光部分成分が検出され、その高い固有ドップラー速度から、コアスフィア衝撃波の兆候であると解釈された。
• 最初のフレアの初期段階において、ヘリウムおよび金属線では乱流幅拡大、Hαではスターリング幅拡大が両方観測され、高密度・高速度プラズマ状態を示した。
• Hαにおけるスターリング幅拡大は、フレア中のコアスフィアに高い電子密度が存在することを確認し、蒸発モデルと整合的であり、高コロナ密度と一致した。
• 光学およびX線データから得られたフレア充填率は1–2％で一致しており、これは約1–2 × 10^10 cm²のフレア領域に対応し、流体力学的ループモデルとも整合的であった。
• X線と可視光のバンド幅放射の相関は、3つのフレアのうち2つで確認されたが、3つ目では確認されず、コアスフィアとコロナのエネルギー放出の結合が変動的である可能性を示唆した。
• X線または電波光度曲線には顕著な回転周期調制は検出されず、これは強力なフレア活動が周期性を覆い隠しているためと推定された。