[論文レビュー] Transition from spot to faculae domination -- An alternate explanation for the dearth of intermediate extit{Kepler} rotation periods

Timo Reinhold, Keaton J. Bell+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 61被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、中間的 Kepler 回転周期（15–25 日）の不足がヴァウグハム＝プレストンギャップによるものではなく、約 800 Myr で黒点の光度信号と明るいフレアの信号が相殺されることに起因することを提案する。同時期の光度およびクロモスフィア時系列データを分析した結果、黒点とフレアの変動の位相差がロスビー番号が 1 付近で反位相（黒点支配）から同位相（フレア支配）に移行することが判明し、これは約 2.55 Gyr で黒点からフレアへの支配転換が起こることを示しており、観測された周期ギャップを説明する。

ABSTRACT

The study of stellar activity cycles is crucial to understand the underlying dynamo and how it causes activity signatures such as dark spots and bright faculae. We study the appearance of activity signatures in contemporaneous photometric and chromospheric time series. Lomb-Scargle periodograms are used to search for cycle periods present in both time series. To emphasize the signature of the activity cycle we account for rotation-induced scatter in both data sets by fitting a quasi-periodic Gaussian process model to each observing season. After subtracting the rotational variability, cycle amplitudes and the phase difference between the two time series are obtained by fitting both time series simultaneously using the same cycle period. We find cycle periods in 27 of the 30 stars in our sample. The phase difference between the two time series reveals that the variability in fast rotating active stars is usually in anti-phase, while the variability of slowly rotating inactive stars is in phase. The photometric cycle amplitudes are on average six times larger for the active stars. The phase and amplitude information demonstrates that active stars are dominated by dark spots, whereas less active stars are dominated by bright faculae. We find the transition from spot to faculae domination at the Vaughan-Preston gap, and around a Rossby number equal to one. We conclude that faculae are the dominant ingredient of stellar activity cycles at ages >2.55 Gyr. The data further suggest that the Vaughan-Preston gap can not explain the previously detected dearth of Kepler rotation periods between 15-25 days. Nevertheless, our results led us to propose an explanation for the rotation period dearth to be due to the non-detection of periodicity caused by the cancellation of dark spots and bright faculae at 800 Myr.

研究の動機と目的

• 同時期の光度およびクロモスフィア時系列データを分析することで、星の活動周期の物理的起源を解明すること。
• さまざまな回転周期および活動度において、黒点と明るいフレアのどちらが星の活動周期を支配しているかを特定すること。
• Kepler データにおける中間的回転周期（15–25 日）の不足という長年の謎を解明すること。
• ヴァウグハム＝プレストンギャップが観測された周期ギャップを完全に説明できるのか、あるいは他のメカニズムが関与しているのかを検証すること。

提案手法

• Lomb-Scargle パワースペクトルを用いて、光度およびクロモスフィア的（S 細胞）時系列データにおける周期の検出を行った。
• 回転モodulation を補正し、周期関連の変動を分離するために、準周期的ガウス過程モデルを適用した。
• 同じ周期を用いて、光度およびクロモスフィア時系列を同時にフィットさせ、振幅と位相差を測定した。
• 光度的変動とクロモスフィア的変動の位相差を計算することで、支配的活動特徴（黒点対比フレア）を推定した。
• 対流トランジット時間の代理指標としてロスビー番号を用い、星の年齢および活動度にわたる位相挙動を比較した。
• 系統的な傾向を特定するために、長基準の光度およびクロモスフィアデータを有する 30 項目の星を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 15–25 日の Kepler 回転周期の不足の原因は何か。これはヴァウグハム＝プレストンギャップに関係しているか。
• RQ2 星の回転周期および活動度に応じて、光度的およびクロモスフィア的変動の位相関係はどのように変化するか。
• RQ3 星の寿命のどの段階で明るいフレアが光度変動の主因となるか。
• RQ4 光度的およびクロモスフィア的周期の位相差は、黒点支配とフレア支配の活動を区別できるか。
• RQ5 ロスビー番号は、星の活動周期における黒点からフレアへの支配転換を決定づける役割を果たすか。

主な発見

• 30 項目の星のうち 27 項目で周期が検出され、広範な星の種類にわたり長期活動周期が存在することが確認された。
• 高速回転で活発な星では、光度的およびクロモスフィア的信号の変動が反位相を示し、黒点がその活動を支配していることを示している。
• 低速回転で不活発な星では、光度的およびクロモスフィア的変動が同位相を示し、明るいフレアがその活動周期を支配していることを示している。
• 黒点からフレアへの支配転換は、ロスビー番号が約 1 のときにおこり、これは約 2.55 Gyr の星の年齢に対応する。
• 活発な星では、平均して光度周期の振幅が 6 倍大きく、黒点支配系における強い光度変調が確認された。
• 中間的回転周期（15–25 日）の不足は、ヴァウグハム＝プレストンギャップではなく、約 800 Myr における黒点とフレアの信号の相殺によってよりよく説明できる。