[논문 리뷰] Simultaneous photometric and CARMENES spectroscopic monitoring of fast-rotating M dwarf GJ 3270. Discovery of a post-flare corotating feature

E. N. Johnson, S. Czesla외 34명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 14.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 82인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 빠르게 회전하는 M형 주계차 GJ 3270의 동시에 고주기 광도 측정과 CARMENES 스펙트로스코피 관측을 수행하여 총 에너지 약 ~3.6 × 10³² erg인 강력한 항성 플레어와 플레어 후 지속적인 후행 코로테이팅 특징을 규명하였다. 이 특징은 청색으로 기울어진 대기권선 비대칭성을 보이며, 태양 이외의 항성에서 이러한 특징이 처음으로 관측된 것으로, 태양 유사한 플레어 후 아치 또는 실패한 코로날 질량 방출을 시사한다.

ABSTRACT

Context: Active M dwarfs frequently exhibit large flares, which can pose an existential threat to the habitability of any planet in orbit in addition to making said planets more difficult to detect. M dwarfs do not lose angular momentum as easily as earlier-type stars, which maintain the high levels of stellar activity for far longer. Studying young, fast-rotating M dwarfs is key to understanding their near stellar environment and the evolution of activity Aims: We study stellar activity on the fast-rotating M dwarf GJ 3270. Methods: We analyzed dedicated high cadence, simultaneous, photometric and high-resolution spectroscopic observations obtained with CARMENES of GJ 3270 over 7.7 h, covering a total of eight flares of which two are strong enough to facilitate a detailed analysis. We consult the TESS data, obtained in the month prior to our own observations, to study rotational modulation and to compare the TESS flares to those observed in our campaign. Results: The TESS data exhibit rotational modulation with a period of 0.37 d. The strongest flare covered by our observing campaign released a total energy of about 3.6e32 erg, putting it close to the superflare regime. This flare is visible in the B,V, r, i, and z photometric bands, which allows us to determine a peak temperature of about 10,000 K. The flare also leaves clear marks in the spectral time series. In particular, we observe an evolving, mainly blue asymmetry in chromospheric lines, which we attribute to a post-flare, corotating feature. To our knowledge this is the first time such a feature has been seen on a star other than our Sun. Conclusions: Our photometric and spectroscopic time series covers the eruption of a strong flare followed up by a corotating feature analogous to a post-flare arcadal loop on the Sun with a possible failed ejection of material.

연구 동기 및 목표

• 빠르게 회전하는 M형 주계차 GJ 3270의 항성 활동, 특히 플레어와 그 후속 현상 연구.
• 고도의 항성 활동이 행성의 적응 가능성과 탐지에 미치는 영향 이해.
• 동시 다파장 관측을 통해 저온형 항성에서 플레어 후 현상의 성격 규명.
• 활성 M형 주계차에서 코로날 질량 방출 또는 실패한 방출의 징후 탐색.

제안 방법

• 7.7시간 동안 CARMENES를 이용한 고주기 광도 측정과 고해상도 스펙트로스코피 동시 모니터링 수행.
• 캠프인 전 1개월 간의 TESS 데이터를 분석하여 자전 조절 및 플레어 에너지 분포 연구.
• B, V, r, i, z 파장대에서 광도 곡선을 사용하여 플레어 최고 온도와 총 에너지 추정.
• 대기권선(Hα, Na D, He i D3, Ca ii IRT)의 세밀한 스펙트럼 시간 시리즈 분석을 통해 선형 비대칭성 및 도플러 이동 탐지.
• 선형 비대칭성의 운동학적 모델링을 통해 코로테이팅 표면 구조와 그 기원 추론.
• 관측된 플레어 진화를 태양 유사체와 비교하여 플레어 후 특징의 성격 해석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GJ 3270에서 관측된 가장 강력한 플레어의 에너지 출력과 열적 진화는 무엇인가?
• RQ2 M형 주계차에서 플레어 후 대기권선 비대칭성은 태양의 플레어 후 아치와 유사한 코로테이팅 활성 지역 구조와 관련이 있는가?
• RQ3 왜 플레어 1 동안 Na D 선과 He i D3는 Hα보다 더 강한 반응을 보였으며, 이는 플레어 위치에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 주요 플레어 이후에 코로날 pluim 또는 재진입하는 플라즈마 흐름의 증거가 있는가?
• RQ5 감쇠 단계에서 지속적인 청색 이동 성분을 통해 실패한 코로날 질량 방출을 추론할 수 있는가?

주요 결과

• 관측된 가장 강력한 플레어는 총 에너지 약 3.6 × 10³² erg로, 슈퍼플레어 범주에 가까운 수준이다.
• 광대역 광도 측정을 통해 추정된 플레어 최고 온도는 약 10,000 K이다.
• 플레어 후 약 90분 동안 지속된 Hα 선의 청색 이동 비대칭성이 관측되었으며, 좁은 성분은 25.9 km s−1로 청색 이동되어 있었다.
• 이 청색 이동 성분은 Na D 및 He i D3 선과도 유사한 이동을 보이며, 전체적으로 상향 플라즈마 운동을 시사한다.
• 이 특징의 도플러 이동과 감쇠 속도는 약 65° 위성 중심에서, 약 40° 위도에 위치한 코로테이팅 표면 구조에서 기인한 것으로 일치한다.
• 후속 단계에서 플레어 없이도 대기권선에서 강한 빨간색 비대칭성이 관측되어, 강력한 코로날 빗물 또는 재진입 플라즈마 흐름이 있을 가능성이 있으며, 이는 실패한 CME에서 유래할 수 있다.