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

B. Fuhrmeister, S. Czesla외 14명|DIGITAL.CSIC (Spanish National Research Council (CSIC))|2018. 01. 31.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 73인용 수 24

한 줄 요약

이 연구는 CARMENES를 사용하여 28개의 활성 M형 항성의 고해상도 스펙트럼을 분석하여 Hα, Na I D 및 He I 선에서의 비대칭성을 조사한다. 적색 비대칭성은 코로나 비료 또는 코로나 강우로 인한 것으로 보이며, 청색 비대칭성은 플레어 발생 초기 단계에서의 코로나층 기화와 관련이 있다. 약 15%의 스펙트럼에서 Hα 비대칭성이 관측되었으며, 이 중 24%만 플레어와 연관되어 있어 비대칭성은 플레어 피크 이후에도 지속될 수 있음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 활성 M형 항성에서 비대칭적인 Hα 선형형의 발생과 물리적 원인을 조사하는 것.
• 선 비대칭성이 항성 플레어 또는 기타 활동 현상과 관련이 있는지 확인하는 것.
• Hα와 함께 Na I D 및 He I 선에서의 비대칭성의 빈도와 특성에 대해 검토하는 것.
• 코로나층 역동성, 예를 들어 응집 및 기화와 같은 과정이 선형형을 어떻게 형성하는지 탐구하는 것.
• 현재 스펙트럼 캐디언스의 한계가 플레어 기간 동안 비대칭성 형성의 시기를 해석하는 데 어떤 영향을 미치는지 평가하는 것.

제안 방법

• CARMENES 스펙트로미터를 사용하여 28개의 활성 M형 항성에 대해 0.5–2.4 μm 범위의 고해상도 스펙트럼 총 473개를 확보하였다.
• Hα 선에서의 복사율 증가를 기반으로 정의된 플레어 기준을 사용하여 플레어를 식별하였다.
• 선형형 비대칭성을 분석하기 위해 선 핵 대비 적색 또는 청색 날개의 과잉 복사량을 측정하였다.
• 휴지 파장에 비해 적색 이동(적색 날개 과잉) 또는 청색 이동(청색 날개 과잉)으로 비대칭성을 분류하였다.
• 비대칭성 발생과 플레어 활동, 항성 자전, 중앙 Hα 복사량을 활동 수준의 지표로 하여 관련성을 분석하였다.
• 코로나 강우 및 코로나층 기화의 물리적 모델을 사용하여 관측된 비대칭성을 해석하였으며, 태양 유사 현상과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 활성 M형 항성에서 Hα 선 비대칭성의 빈도는 어떻게 되며, 항성 플레어와 어떤 관련이 있는가?
• RQ2 Hα에서의 적색 및 청색 비대칭성은 코로나층 응집 또는 기화와 같은 별개의 물리적 메커니즘과 관련이 있는가?
• RQ3 Na I D 및 He I 선에서 비대칭성은 얼마나 자주 발생하며, Hα 비대칭성과 관련이 있는가?
• RQ4 선형형 비대칭성은 플레어 피크 또는 감쇠 단계 이후에도 어느 정도 지속되는가?
• RQ5 Stark 폭발 또는 기타 폭발 메커니즘이 대칭적인 Hα 선형형을 설명할 수 있으며, 이는 동적 과정과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 분석한 473개 스펙트럼 중 15%에서 Hα 선 비대칭성이 관측되었으며, 총 28개 항성에서 67개의 비대칭 선형형이 확인되었다.
• Hα 비대칭성의 24%만 플레어와 연관되어 있어, 비대칭성이 플레어 감쇠 단계 또는 독립적으로 지속될 수 있음을 시사한다.
• 적색 비대칭성은 코로나층 응집 또는 코로나 강우의 증거로 해석되며, 태양 관측 결과와 일치한다.
• 청색 비대칭성은 플레어 초기 급격한 단계에서의 코로나층 기화로 인한 것으로 가장 가능성이 높다.
• Na I D 및 He I D3 선에서의 비대칭성은 매우 드물게 발생하여 Hα 비대칭성 스펙트럼의 4%에서만 관측되었으며, 상관관계가 제한적임을 시사한다.
• He I 10830 Å 선은 Hα 비대칭성과 함께 나타난 경우 34%에서 넓은 날개를 보였으며, 이는 더 높은 발머/He 선에서도 유사한 역동성이 존재함을 시사한다.