[論文レビュー] The CARMENES search for exoplanets around M dwarfs: Wing asymmetries of H$α$, Na I D, and He I lines

B. Fuhrmeister, S. Czesla+14 more|DIGITAL.CSIC (Spanish National Research Council (CSIC))|Jan 31, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 73被引用数 24

ひとこと要約

本研究では、CARMENESを用いて28個の活動的M型矮星の高分解能スペクトルを分析し、Hα、Na I D、He I線における非対称性を調査した。赤方非対称性は、コロナの雨またはコロナの凝縮に起因すると考えられ、青方非対称性はフレア発生時のコアスフィアの蒸発に関連している。全スペクトルの約15％でHα非対称性が観測されたが、そのうちの24％しかフレアと関連しなかったため、非対称性はフレアのピーク後にも持続している可能性がある。

ABSTRACT

Stellar activity is ubiquitously encountered in M dwarfs and often characterised by the H$α$ line. In the most active M dwarfs, H$α$ is found in emission, sometimes with a complex line profile. Previous studies have reported extended wings and asymmetries in the H$α$ line during flares. We used a total of 473 high-resolution spectra of 28 active M dwarfs obtained by the CARMENES (Calar Alto high-Resolution search for M dwarfs with Exo-earths with Near-infrared and optical Echelle Spectrographs) spectrograph to study the occurrence of broadened and asymmetric H$α$ line profiles and their association with flares, and examine possible physical explanations. We detected a total of 41 flares and 67 broad, potentially asymmetric, wings in H$α$. The broadened H$α$ lines display a variety of profiles with symmetric cases and both red and blue asymmetries. Although some of these line profiles are found during flares, the majority are at least not obviously associated with flaring. We propose a mechanism similar to coronal rain or chromospheric downward condensations as a cause for the observed red asymmetries; the symmetric cases may also be caused by Stark broadening. We suggest that blue asymmetries are associated with rising material, and our results are consistent with a prevalence of blue asymmetries during the flare onset. Besides the H$α$ asymmetries, we find some cases of additional line asymmetries in \ion{He}{i} D$_{3}$, \ion{Na}{i}~D lines, and the \ion{He}{i} line at 10830\,Å\, taken all simultaneously thanks to the large wavelength coverage of CARMENES. Our study shows that asymmetric H$α$ lines are a rather common phenomenon in M~dwarfs and need to be studied in more detail to obtain a better understanding of the atmospheric dynamics in these objects.

研究の動機と目的

• 活動的M型矮星におけるHα線プロファイルの非対称性の発生とその物理的要因を調査すること。
• 線の非対称性が星のフレアやその他の活動現象と関連しているかどうかを特定すること。
• Hαと併せてNa I DおよびHe I線における非対称性の頻度と特徴を検討すること。
• 凝縮や蒸発を含むコアスフィアダイナミクスが線プロファイルをどのように形成するかを検討すること。
• 現在のスペクトル連続観測の時間分解能の限界が、フレア発生時の非対称性形成タイミングの解明に及ぼす影響を評価すること。

提案手法

• CARMENESスペクトログラフを用いて、28個の活動的M型矮星の473本の高分解能スペクトル（0.5–2.4 μm）を取得した。
• Hα線における放射束の増加に基づく定義済みのフレア基準を用いてフレアを同定した。
• 線プロファイルの非対称性を、ラインコアに対して赤方または青方の翼に過剰な発光が観測された割合として分析した。
• 静止波長に対して赤方シフト（赤方翼に過剰発光）または青方シフト（青方翼に過剰発光）として非対称性を分類した。
• 非対称性の発生を、フレア活動、星の自転速度、および中央Hα放射束の中央値と照合し、活動レベルの指標とした。
• コロナの雨およびコアスフィアの蒸発の物理モデルを用いて観測された非対称性を解釈し、太陽の類縁現象と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 活動的M型矮星におけるHα線非対称性の頻度はどの程度で、星のフレアとどの程度相関しているか？
• RQ2 Hα線の赤方非対称性と青方非対称性は、それぞれコアスフィアの凝縮や蒸発といった異なる物理的メカニズムと関連しているか？
• RQ3 Na I DおよびHe I線における非対称性はどの程度の頻度で発生し、Hα非対称性と相関しているか？
• RQ4 線プロファイルの非対称性は、フレアのピークまたは減衰期を過ぎてもどの程度持続するか？
• RQ5 ストark幅広げやその他の幅広げ機構が対称的Hαプロファイルを説明できるか、そしてそれらと動的プロセスをどのように比較できるか？

主な発見

• 分析された473本のスペクトルのうち15％でHα線非対称性が検出され、28個の星全体で合計67本の非対称プロファイルが得られた。
• Hα非対称性の24％しかフレアと関連しなかったため、非対称性はフレアのピーク後や独立して発生している可能性がある。
• 赤方非対称性は、コアスフィアの凝縮またはコロナの雨の証拠と解釈され、太陽観測と整合的である。
• 青方非対称性は、フレアの初期インパルス的段階におけるコアスフィアの蒸発に起因すると最も考えられる。
• Na I DおよびHe I D3線における非対称性はまれで、Hα非対称性を示すスペクトルの4％でしか観測されず、相関は限定的である。
• He I 10830 Å線では、Hα非対称性を示すケースの34％で幅広い翼が観測され、より高次のバルマー線・ヘリウム線でも類似したダイナミクスが生じている可能性を示唆している。