[論文レビュー] Simultaneous photometric and CARMENES spectroscopic monitoring of fast-rotating M dwarf GJ 3270. Discovery of a post-flare corotating feature

E. N. Johnson, S. Czesla+34 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 82被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、急速に回転するM型矮星GJ 3270に対して、同時に高時間分解能の光度測定とCARMENES分光観測を実施した。その結果、合計エネルギーが約3.6 × 10³² ergの強力な星面フレアが検出され、フレア後期に持続するコロタティング特徴が観測された。この特徴は、青方偏移したコアスフィア線の非対称性を示しており、太陽以外の星でこのような特徴が検出されたのは初めてである。これは、太陽に類似したフレア後期のアーチ型構造、あるいは失敗したコロナル・マス・エジェクション（CME）を示唆している。

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.

研究の動機と目的

• 急速に回転するM型矮星GJ 3270における星面活動、特にフレアおよびその影響を調査すること。
• 高い星面活動が惑星の居住可能性および探査に与える影響を理解すること。
• 同時多波長観測を用いて、後期型星におけるフレア後の現象の性質を調査すること。
• 活発なM型矮星におけるコロナル・マス・エジェクションまたはその失敗形態の痕跡を探索すること。

提案手法

• 7.7時間にわたって、CARMENESを用いた高時間分解能の光度測定と高分解能分光観測を同時実施した。
• キャンペーンの1か月前におけるTESSデータを分析し、回転調制とフレアエネルギー分布を調査した。
• B, V, r, i, zバンドにおける光度曲線を用いて、フレアのピーク温度と合計エネルギーを特定した。
• コアスフィア線（Hα, Na D, He i D3, Ca ii IRT）の詳細なスペクトル時系列解析を実施し、線の非対称性およびドップラーシフトを検出した。
• 線の非対称性の運動学的特徴をモデル化し、コロタティング表面構造とその起源を推定した。
• 観測されたフレアの進化を太陽類縁と比較し、フレア後特徴の性質を解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GJ 3270で観測された最も強いフレアのエネルギー出力と熱的進化は何か？
• RQ2 M型矮星におけるフレア後期のコアスフィア線非対称性は、太陽のフレア後期アーチ構造に類似したコロタティング活性領域構造と関連しているか？
• RQ3 なぜフレア1においてナトリウムD線とHe i D3線がHαよりも強く反応したのか？これはフレアの位置に何を示唆するか？
• RQ4 主フレアの後にコロナル・レインまたは再入するプラズマの動きの痕跡は見られたか？
• RQ5 減衰段階における持続的で青方偏移した線成分から、失敗したCMEを推定できるか？

主な発見

• 観測された最も強いフレアの合計エネルギーは約3.6 × 10³² ergであり、スーパーフレア領域に近い。
• B, V, r, i, zバンドにおける全バンド光度測定から、フレアのピーク温度は約10,000 Kであると推定された。
• フレア後約90分間、持続的な青方偏移したHα線の非対称性が観測され、狭帯域成分は25.9 km s−1青方偏移していた。
• この青方偏移成分は、Na D線およびHe i D3線の類似したシフトと相関しており、全体的な上向きプラズマ運動を示している。
• この特徴のドップラーシフトと減衰率は、ディスク中心から約65°離れた、緯度約40°の位置に起源を持つコロタティング表面構造と整合的である。
• フレア後の期間に、同時にフレアが発生していないにもかかわらず、コアスフィア線に著しい赤方非対称性が観測された。これは、強力なコロナル・レインまたは再入するプラズマを示唆しており、おそらく失敗したCMEに起因する可能性がある。