[논문 리뷰] The CARMENES search for exoplanets around M dwarfs. The He I triplet at 10830 $\mathrm{\AA}\,$ across the M dwarf sequence

B. Fuhrmeister, S. Czesla외 25명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 01.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 67인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 CARMENES 고해상도 스펙트로스코피를 이용해 319개의 M형 주계류에서 10830 Å에서의 He I 적외선 삼중선을 조사한다. 이 선은 초기형 M형 주계류(M0.0–M5.0 V)에서 흡수선으로 관측되며, 후행형으로 갈수록 허위 등가폭(pEW)이 감소하고 M5.0 V 이후에는 검출되지 않으며, 플레어 기간 동안에만 발광이 관측되어 충돌성 자극이 아닌 광이온화 및 재결합 메커니즘에 의해 형성된다는 것을 지지한다.

ABSTRACT

The He I infrared (IR) triplet at 10830 AA is an important activity indicator for the Sun and in solar-type stars, however, it has rarely been studied in relation to M dwarfs to date. In this study, we use the time-averaged spectra of 319 single stars with spectral types ranging from M0.0 V to M9.0 V obtained with the CARMENES high resolution optical and near-infrared spectrograph at Calar Alto to study the properties of the He I IR triplet lines. In quiescence, we find the triplet in absorption with a decrease of the measured pseudo equivalent width (pEW) towards later sub-types. For stars later than M5.0 V, the He I triplet becomes undetectable in our study. This dependence on effective temperature may be related to a change in chromospheric conditions along the M dwarf sequence. When an emission in the triplet is observed, we attribute it to flaring. The absence of emission during quiescence is consistent with line formation by photo-ionisation and recombination, while flare emission may be caused by collisions within dense material. The He I triplet tends to increase in depth according to increasing activity levels, ultimately becoming filled in; however, we do not find a correlation between the pEW(He IR) and X-ray properties. This behaviour may be attributed to the absence of very inactive stars ($L_{ m X}/L_{ m bol}$ < -5.5) in our sample or to the complex behaviour with regard to increasing depth and filling in.

연구 동기 및 목표

• M형 주계류 스펙트럼 시퀀스 전반에 걸쳐 He I 적외선 삼중선 10830 Å의 특성을 규명하는 것.
• M형 주계류에서 He I 적외선 선의 형성 메커니즘을 광이온화/재결합과 충돌성 자극 간에 구분하여 규명하는 것.
• pEW와 X선 및 Ca II IRT 활동 지표를 비교함으로써 선이 코로나 활동 지표로서 어떻게 행동하는지 평가하는 것.
• 후행형 M형 주계류(M5.0 V 이후)에서 감지 가능한 He I 적외선 선의 부재를 조사하는 것.

제안 방법

• 카라호 조망대의 CARMENES 스펙트로미터를 이용해 319개의 단일 M형 주계류의 시간 평균 고해상도 가시광선 및 적외선 스펙트럼을 확보하였다.
• 혼합된 선형형을 맞추기 위해 4개의 Voigt 성분을 포함한 경험적 모델을 사용하여 He I 적외선 삼중선의 허위 등가폭(pEW)을 측정하였다.
• X선 빛의 세기(LX/Lbol)와 Ca II 적외선 삼중선(IRT) 발광을 지표로 삼아 항성 활동 상태를 분류하였다.
• pEW(He IR)와 X선 및 Ca II IRT 활동 지표 간의 상관관계를 평가하기 위해 비교 분석을 수행하였다.
• He I 적외선 선에서 일시적인 발광 특징을 탐지함으로써 플레어 사건을 식별하였다.
• 효율 온도와 활동 수준에 따른 pEW의 경향을 분석함으로써 선 형성 메커니즘을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 M0.0 V에서 M9.0 V에 이르는 M형 주계류 스펙트럼 시퀀스 전반에 걸쳐 He I 적외선 삼중선의 강도와 선형형은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 M형 주계류에서 He I 적외선 삼중선의 주요 형성 메커니즘은 광이온화/재결합인가, 충돌성 자극인가?
• RQ3 침체 상태에서 He I 적외선 선의 pEW는 X선 또는 Ca II IRT 활동 지표와 상관관계가 있는가?
• RQ4 왜 M형 주계류에서 M5.0 V 이후로 He I 적외선 선이 감지되지 않는가?
• RQ5 He I 적외선 선이 흡수에서 발광으로 전환되는 조건은 무엇인가?

주요 결과

• He I 적외선 삼중선은 초기형 M형 주계류(M0.0 V에서 M5.0 V)에서 흡수선으로 감지되며, 초기형 M형 주계류에서 최대 허위 등가폭(pEW)이 약 300 mÅ에 도달한다.
• He I 적외선 선의 pEW는 후행형 스펙트럼 하위형으로 갈수록 단조롭게 감소하며, M5.0 V 이후에는 감지되지 않는다.
• 침체 상태의 항성에서는 He I 적외선 선에서 발광이 관측되지 않으며, 발광은 오직 플레어 기간 동안에만 관측되어 일시적이고 활동에 의해 유도된 기원임을 시사한다.
• pEW(He IR)와 X선 빛의 세기(LX/Lbol) 간의 상관관계 부재는 선이 X선 방출과 같은 방식으로 활동 수준 증가에 의해 유도되지 않음을 시사하며, 샘플에 Lx/Lbol < -5.5인 매우 비활성 항성이 부족하기 때문일 수 있다.
• 채움 현상의 증가 없이 효율 온도 감소에 따라 pEW가 감소하는 경향은 선의 물리적 소멸을 지지하며, 포화 또는 충돌성 채움 메커니즘은 아님을 시사한다.
• 결과는 He I 적외선 선이 주로 광이온화 및 재결합 과정을 통해 형성된다는 것과 일치하며, 선 강도가 충돌성 자극이 아닌 코로나 조건과 상관관계가 있음을 지지한다.