[논문 리뷰] The CARMENES search for exoplanets around M dwarfs: Wing asymmetries of H$\alpha$, Na I D, and He I lines

B. Fuhrmeister, S. Czesla외 14명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 31.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 69인용 수 26

한 줄 요약

이 연구는 CARMENES 데이터를 사용하여 28개의 활성 M형 항성의 고해상도 스펙트럼을 분석하여 Hα, Na I D, He I 선형의 비대칭적이고 넓어진 프로파일을 조사한다. 연구에서는 붉은 비대칭성이 코로나의 응결 또는 코로나 강우에 기인할 수 있으며, 파란 비대칭성은 플레어 발생 초기에 발생하는 코로나 대류와 연관되어 있다고 제안한다. 주요 발견은 Hα 비대칭성이 흔히 발생하며 약 15%의 스펙트럼에서 관측되며, 플레어와는 약하게 연관되어 있어 플레어 외부의 지속적인 대기 동역학을 반영할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Stellar activity is ubiquitously encountered in M dwarfs and often characterised by the H$\alpha$ line. In the most active M dwarfs, H$\alpha$ is found in emission, sometimes with a complex line profile. Previous studies have reported extended wings and asymmetries in the H$\alpha$ 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$\alpha$ 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$\alpha$. The broadened H$\alpha$ 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$\alpha$ 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\,\AA\, taken all simultaneously thanks to the large wavelength coverage of CARMENES. Our study shows that asymmetric H$\alpha$ 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.

연구 동기 및 목표

• 활성 M형 항성에서 비대칭적이고 넓어진 Hα 선형 프로파일의 빈도와 물리적 기원을 조사하기 위해.
• 이러한 선형 비대칭성이 주로 항성 플레어와 연관되어 있는지, 아니면 지속적인 코로나 대류 동역학을 반영하고 있는지 판단하기 위해.
• 다른 코로나 대류 선(예: Na I D, He I D3, He I 10830 Å)에서 비대칭성의 발생을 검토하여 스펙트럼 특징 간의 일관성 여부를 평가하기 위해.
• 선형 프로파일 비대칭성과 항성 활동 수준(특히 자전 속도와 Hα 광도) 간의 관계를 탐색하기 위해.
• 다중선 비대칭 패tern을 활용하여 질량 이동 및 에너지 전달 메커니즘과 같은 대기 동역학을 추론할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 0.5–2.5 μm 범위를 커버하는 CARMENES 스펙트로미터에서 확보한 473개의 고해상도 스펙트럼을 확보하였으며, 높은 S/N과 분辨률(R ≈ 80,000)을 확보하였다.
• Hα 광도 증가와 시간적 변화를 기반으로 한 플레어 탐지 기준을 사용하여 플레어를 식별하였다.
• 선형 중심에 대한 붉은 날개와 파란 날개 사이의 복사율 비율 분석을 통해 선형 프로파일 비대칭성을 정량적으로 측정하였다.
• Hα 비대칭성과 Na I D, He I D3, He I 10833 Å 선의 비대칭성을 비교하여 다중선 일관성을 평가하였다.
• 안정 상태에서의 복사율을 빼낸 프로파일을 사용하여 활성 선 성분을 고립하고 연속기여를 최소화하였다.
• 비대칭성 발생 빈도를 중앙 Hα 광도와 투영된 자전 속도(v sin i)와 같은 항성 활동 지표와 관련지어 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 활성 M형 항성에서 비대칭적 Hα 선형 프로파일의 빈도는 어떻게 되며, 항성 활동 수준과 어떤 관련이 있는가?
• RQ2 Hα 비대칭성은 주로 플레어와 연관되어 있는가, 아니면 안정 상태에서도 독립적으로 발생하는가?
• RQ3 코로나 증발 또는 응결과 같은 물리적 메커니즘은 관측된 붉은 비대칭성과 파란 비대칭성을 어떻게 설명할 수 있는가?
• RQ4 Na I D, He I D3, He I 10833 Å 선에서의 비대칭성은 빈도와 일관성 측면에서 Hα 비대칭성과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 관측된 선형 프로파일 비대칭성은 스터브 브로드닝으로 설명될 수 있는가, 아니면 동적인 질량 이동이 필요한가?

주요 결과

• Hα 선형 비대칭성은 473개 스펙트럼 중 67개에서 관측되었으며(14.2%), 전체 관측의 약 15%를 차지하여 활성 M형 항성에서 널리 퍼져 있는 현상임을 시사한다.
• 연구에서 정의한 플레어 탐지 기준에 따라 관측된 Hα 비대칭성의 24%만이 플레어와 연관되어 있었으며, 이는 비대칭성이 플레어와 전적으로 관련되어 있지 않음을 시사한다.
• 붉은 비대칭성은 코로나 응결 또는 코로나 강우로 가장 일관되게 설명되며, 파란 비대칭성은 주로 플레어 발생 초기에 관측되어 코로나 증발과 연관되어 있다.
• Na I D 및 He I D3 선에서의 비대칭성은 희귀하였으며, Hα 비대칭성이 있는 스펙트럼의 4%에서만 관측되어 이 선들 간의 일관성이 제한적임을 시사한다.
• He I 10833 Å 선은 Hα 비대칭성이 있는 경우 34%에서 넓은 날개를 보였으며, 이 선에서의 파란 비대칭성은 3건에서 관측되었고, 모두 Hα의 파장 이동된 성분과 일치하였다.
• 스터브 브로드닝은 OT Ser에서 대칭적 Hα 넓이 증가의 주요 원인로 배제되었으며, Hα보다 스터브 효과에 덜 민감한 Na I D 선도 동시에 넓어졌기 때문이다.