[논문 리뷰] The CARMENES search for exoplanets around M dwarfs. Chromospheric modeling of M2-3 V stars with PHOENIX

D. Hintz, B. Fuhrmeister외 27명|DIGITAL.CSIC (Spanish National Research Council (CSIC))|2019. 02. 11.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 51인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 50개의 M2–3 V 항성에 대해 PHOENIX 대기 코드를 사용하여 일차원 매개변수화된 코로나 모델을 개발하여 코로나 방출선(Na I D2, Hα, Ca II IRT)을 해석한다. 비활동성 항성은 단일한 VAL C 유사 모델로 잘 설명되며, 활동성 항성은 비활동성 및 활동성 구성 요소 모델의 선형 조합이 필요하다는 것이 밝혀졌으며, 활동성 증가와 함께 활동 영역의 덮개율이 증가하고 코로나 성분 간 대비가 높아진다는 점이 드러났다.

ABSTRACT

Chromospheric modeling of observed differences in stellar activity lines is imperative to fully understand the upper atmospheres of late-type stars. We present one-dimensional parametrized chromosphere models computed with the atmosphere code PHOENIX using an underlying photosphere of 3500 K. The aim of this work is to model chromospheric lines of a sample of 50 M2-3 dwarfs observed in the framework of the CARMENES, the Calar Alto high-Resolution search for M dwarfs with Exo-earths with Near-infrared and optical Echelle Spectrographs, exoplanet survey. The spectral comparison between observed data and models is performed in the chromospheric lines of Na I D2, H$α$, and the bluest Ca II infrared triplet line to obtain best-fit models for each star in the sample. We find that for inactive stars a single model with a VAL C-like temperature structure is sufficient to describe simultaneously all three lines adequately. Active stars are rather modeled by a combination of an inactive and an active model, also giving the filling factors of inactive and active regions. Moreover, the fitting of linear combinations on variable stars yields relationships between filling factors and activity states, indicating that more active phases are coupled to a larger portion of active regions on the surface of the star.

연구 동기 및 목표

• 비활동성 M2–3 V 항성의 코로나 방출선을 모델링하여 대기 구조와 활동 수준을 이해하기 위해.
• 활동성이 스펙트럼 특징에 영향을 주는 저항성 항성에서 코로나 선을 해석하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 일차원 매개변수화 모델이 M 반등성의 표본 전반에서 관측된 코로나 선 프로파일을 충분히 대표할 수 있는지 확인하기 위해.
• 스펙트럼 선 인덱스를 사용하여 코로나 덮개율과 항성 활동 상태 간의 관계를 조사하기 위해.
• 일차원 모델이 비균일하고 활동적인 M 반등성의 코로나를 표현하는 데에 유효한지 평가하기 위해(그들의 한계에도 불구하고).

제안 방법

• 3500 K의 기준 광원으로 일차원 매개변수화된 코로나 모델을 PHOENIX 대기 코드를 사용하여 계산하였다.
• 모델 비교를 위해 코로나 선(Na I D2, Hα, Ca II IRT의 가장 빨간색 선)의 스펙트럼을 합성하였다.
• 관측된 CARMENES 데이터와 합성 모델 간의 스펙트럼 비교를 통해 최적의 피팅 파라미터를 유도하였다.
• 활동성 항성에 대해 비활동성 및 활동성 코로나 모델의 선형 조합을 사용하여 피팅하고, 각 구성 요소의 덮개율을 결정하였다.
• 변동성 항성의 분석을 통해 덮개율과 활동 인덱스(Ca II IRT 선 인덱스 등) 간의 관계를 유도하였다.
• 모델 결과의 타당성을 검증하기 위해 알려진 태양 코로나 모델(예: VAL C)과 Fontenla 등(2016)의 GJ 832 모델과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비활동성 M2–3 V 항성의 코로나 방출선을 단일 일차원 코로나 모델로 충분히 대표할 수 있는가?
• RQ2 활동성 M 반등성의 코로나 모델의 온도 구조는 비활동성 항성과 어떻게 다를까?
• RQ3 비활동성 및 활동성 코로나 모델의 선형 조합이 활동성 M 반등성의 관측 스펙트럼에 얼마나 잘 맞을 수 있는가?
• RQ4 변동성 M 반등성에서 활동 영역의 덮개율과 관측된 활동 수준 간에 측정 가능한 관계가 존재하는가?
• RQ5 항성 활동이 증가함에 따라 비활동성 및 활동성 코로나 성분 간 대비는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 비활동성 M2–3 V 항성은 VAL C 모델과 유사한 온도 구조를 가지며, 온도 최소값 이후 상층 코로나에서 평탄한 구조를 보이는 단일 코로나 모델로 잘 설명된다.
• 활동성 항성은 비활동성 및 활동성 코로나 성분을 나타내는 최소 두 개의 모델 조합이 필요하다는 점에서 공간적으로 비균일한 활동 분포를 시사한다.
• 활동 수준이 증가함에 따라 활동 영역의 덮개율이 증가하며, 이는 변동성 항성에서 덮개율과 Ca II IRT 선 인덱스 간 선형 관계로 입증된다.
• 비활동성 및 활동성 코로나 성분 간 대비는 활동 증가와 함께 증가하여 활동 영역에서 비활동성 영역보다 더 강한 스펙트럼 선 반응을 유도한다.
• GJ 793의 경우, Hα와 Ca II IRT 반응의 상대적 가중치로 인해 덮개율 대 활동 인덱스 관계에서 음의 기울기가 나타난다.
• 활동 수준에 관계없이 활동성 항성에서 비활동성 덮개율의 범위는 유사하게 유지되며, 이는 일관된 기초 코로나 구조를 시사한다.