[论文解读] Sounding the Solar Cycle with Helioseismology: Implications for Asteroseismology

W. J. Chaplin|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文展示了日震学如何探测低阶p模频率中的太阳周期变化，并将这些见解应用于恒星地震学，表明利用开普勒时代的数据可以探测到恒星活动周期，特别是像HD49933的1–2年短周期活动周期。其主要贡献在于确立了通过磁活动引起的频率偏移可推断类太阳恒星的表面磁结构与周期动力学。

ABSTRACT

My brief for the IAC Winter School was to cover observational results on helioseismology, flagging where possible implications of those results for the asteroseismic study of solar-type stars. My desire to make such links meant that I concentrated largely upon results for low angular-degree (low-l) solar p modes, in particular results derived from "Sun-as-a-star" observations (which are of course most instructive for the transfer of experience from helioseismology to asteroseismology). The lectures covered many aspects of helioseismology - modern helioseismology is a diverse field. In these notes, rather than discuss each aspect to a moderate level of detail, I have instead made the decision to concentrate upon one theme, that of "sounding" the solar activity cycle with helioseismology. I cover the topics from the lectures and I also include some new material, relating both to the lecture topics and other aspects I did not have time to cover. Implications for asteroseismology are developed and discussed throughout.

研究动机与目标

• 研究通过日震学观测到的太阳周期在p模频率中的变化，如何为类太阳恒星的星震学研究提供启示。
• 评估利用开普勒和CoRoT等任务的长期光度数据探测恒星活动周期在p模频率中的可行性和潜力。
• 考察磁活动如何影响模频率、功率和阻尼率的测量，以及这些畸变如何影响星震学建模。
• 建立一个模型，将观测到的频率偏移与类太阳恒星表面磁活动的纬向分布联系起来。
• 估算利用长期基线日震学数据探测太阳演化频率偏移所需的时间尺度。

提出的方法

• 分析长期太阳作为恒星的日震学数据（如BiSON、ACRIM），以追踪低阶p模频率的时间变化。
• 利用太阳周期不同阶段的频率偏移测量值，推断次表层磁活动的深度与结构。
• 应用一个简单模型，将观测到的频率偏移与近表层磁活动的纬向分布联系起来，同时考虑恒星的倾角。
• 使用频率分隔比（如r_{nl}）推断磁活动的角范围，太阳的λ_max ≈ 34°。
• 从8640天的BiSON数据中估算频率精度随时间的标度关系为Δt^(-1/2)，以实现对未来任务时长的外推。
• 将理论上的演化频率偏移（δν/ν ≈ -1.5 δR/R）与观测不确定性进行比较，以确定可探测性的阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 太阳11年活动周期引起的p模频率偏移，是否可用于推断次表层磁活动的深度与结构？
• RQ2 特别是像HD49933的1–2年短周期活动周期，如何影响p模频率的星震学测量？
• RQ3 在活动周期中，模功率和阻尼率的变化在多大程度上会扭曲标准星震学拟合模型？
• RQ4 能否从具有不同l和m阶数的模的频率偏移中推断出类太阳恒星表面磁活动的角分布？
• RQ5 在当前频率精度下，需要多长的数据集才能探测到太阳的演化频率偏移？

主要发现

• 太阳的p模频率在太阳极大期到极小期之间下降约10,000分之1，表明其对磁活动具有极高的敏感性。
• 频率偏移局限于太阳的外层，次表层对流区存在结构变化的证据。
• 首次报告了在类太阳恒星HD49933中探测到由恒星周期引起的频率偏移，其周期为1–2年，显著短于太阳的11年周期。
• HD49933中的频率偏移模式与恒星每周期具有相似旋转周期数的恒星一致，表明旋转周期与周期长度之间存在相关性。
• 通过频率分隔比模型，估算出HD49933上磁活动的角范围为λ_max ≈ 34°，与太阳观测结果一致。
• 探测太阳的演化频率偏移需要约1100年的数据集，因为预期的偏移量（每年1.6×10⁻⁴ nHz）仅在该时间尺度上与测量不确定性相当。