[논문 리뷰] Transition from spot to faculae domination -- An alternate explanation for the dearth of intermediate extit{Kepler} rotation periods

Timo Reinhold, Keaton J. Bell외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 26.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 61인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 중간 킬러스터의 자전 주기(15–25일)가 부족한 이유가 버지너-프레스턴 갭 때문이 아니라, 약 800 Myr 시점에서 어두운 sunspot과 밝은 faculae의 광도 신호가 상쇄되기 때문이라고 제안한다. 동시성 광도 및 크로모스피어 타임시리즈를 분석한 결과, spots와 faculae의 위상 차이가 로시 수가 1 근처에서 반대위상(_spot-지배)에서 동위상(_faculae-지배)으로 변화함을 발견하여, 약 2.55 Gyr 시점에서 spots에서 faculae로의 지배 전환이 일어나며, 이는 관측된 주기 갭을 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 동시성 광도 및 크로모스피어 타임시리즈를 분석하여 항성 활동 주기의 물리적 기원을 규명한다.
• 다양한 자전 주기와 활동 수준에서 어두운 sunspot과 밝은 faculae 중 어느 것이 항성 활동 주기의 지배적 요소인지 확인한다.
• Kepler 데이터에서 관측된 중간 자전 주기(15–25일)가 부족한 문제를 해결한다.
• 버지너-프레스턴 갭이 관측된 주기 갭을 완전히 설명하는지 여부를 테스트한다. 다른 메커니즘이 작용하고 있는가?

제안 방법

• Lomb-Scargle 주기분석을 사용하여 광도 및 크로모스피어(S-지수) 타임시리즈에서 주기 주기를 탐지한다.
• 유사주기적 가우시안 프로세스 모델을 적용하여 자전 조절 효과를 보정하고 주기 관련 변동성만 분리한다.
• 동일한 주기 주기를 사용하여 광도 및 크로모스피어 타임시리즈를 동시에 피팅하여 진폭과 위상 차이를 측정한다.
• 광도 및 크로모스피어 변동성 간의 위상 차이를 계산하여 지배적 활동 특징(_spot vs. faculae)을 추론한다.
• 대류 회전 시간의 지표로 로시 수를 사용하여 다양한 항성 연령과 활동 수준 간의 위상 행동을 비교한다.
• 지속적인 광도 및 크로모스피어 데이터를 확보한 30개의 항성 분석을 통해 위상과 진폭의 체계적 경향을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 15–25일 사이의 Kepler 자전 주기 부족 현상의 원인은 무엇이며, 이는 버지너-프레스턴 갭과 관련이 있는가?
• RQ2 광도 및 크로모스피어 변동성 간의 위상 관계는 항성 자전 주기와 활동 수준에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 항성 수명 주기의 어느 시점에서 밝은 faculae가 광도 변동성의 주요 원인이 되는가?
• RQ4 광도 및 크로모스피어 주기 간의 위상 차이로는 spot-지배 활동과 faculae-지배 활동을 구분할 수 있는가?
• RQ5 로시 수는 항성 활동 주기에서 spot에서 faculae로의 지배 전환을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 30개 항성 중 27개에서 주기 주기를 확인하여 다양한 항성 유형에서 장기 활동 주기가 존재함을 확인한다.
• 빠른 자전, 활동성이 높은 항성은 광도 및 크로모스피어 신호 간에 반대위상 변동을 보이며, 어두운 sunspot이 활동을 지배함을 시사한다.
• 느린 자전, 비활성 항성은 동위상 변동을 보이며, 밝은 faculae가 활동 주기의 지배적 요소임을 시사한다.
• spot에서 faculae로의 지배 전환은 약 1의 로시 수에서 발생하며, 이는 약 2.55 Gyr의 항성 연령에 해당한다.
• 활동성이 높은 항성에서 광도 주기 진폭은 평균적으로 6배 더 크며, 이는 spot-지배 시스템에서 더 강한 광도 조절이 일어남을 확인한다.
• 중간 자전 주기(15–25일)가 부족한 현상은 버지너-프레스턴 갭 때문이 아니라, 약 800 Myr 시점에서 spot과 faculae 신호의 상쇄로 더 잘 설명된다.