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Koenig, Brigitte (2003): Flare stars in the solar vicinity: A search for young stars. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Young stars close to the sun (within 100 pc) yield an interesting sample in many respects: They are relatively bright and because of their close distance we can resolve the surroundings of these stars by using adaptive optics on 8 to 10 m class telescopes (e.g. VLT or Keck). In the K-band the achievable angular resolution is about 50 mas which corresponds to 5 AU at a star closer than 100 pc; 5 AU is about the distance between the Sun and Jupiter. This possibility can be used to study surrounding material such as disks made up of gas and dust as well as stellar and substellar companions. A sample consisting of young stars in the solar vicinity and in an evolutionary stage between the classical T Tauri phase with a disk and the zero-age main sequence can be provided by the catalog of flare stars and related objects compiled by Gershberg et al. (1999) because young stars are often variable and exhibit large eruptions (flares). In a first step we need to verify that these stars are indeed young and did not come to lie above the main sequence in a Hertzsprung-Russell diagram because they are old or unresolved binaries or multiples. Therefore, we have taken spectra of 223 stars lying above the main sequence (of the 463 stars of the sample). The distances to these stars were measured (in most cases by Hipparcos) and they are located at a few to 100 pc. The goal was to detect lithium absorption at 6708 A which all young stars have in common. In addition to the detection of lithium, we want to identify other age indicators such as filling in or emission of the Halpha -, the magnesium Ib- and the calcium lines. The G- and K-type stars of the northern hemisphere were also observed with high resolution, and high signal-to-noise ratio spectroscopy to study these objects with methods of spectral synthesis analysis to determine the surface gravity, the chemical composition, and the temperature. The age determination of these 223 stars lead to a value between 10 Myr and the zero-age main sequence, they are indeed nearby and 17 stars are clearly pre-main sequence. In the course of this work, we discovered the closest pre-main sequence star (HIP 108405 A, 10+-10 Myrs at a distance of 16.1pc). The star is younger than GJ 182 (27 pc, 20+-10 Myrs) which held the record up to now. A planet with a mass of 5 MJup in orbit of a (for this sample) typical M-star, would have an apparent magnitude in the K-band of 14.5 to 17.5 mag at a distance of 16 pc. This would lead to a magnitude difference DeltaK of 8 to 11 mag between the star and the companion, which could be detected with 8 to 10 m class telescopes at a separation of 1" or a projected separation of 16 AU. All newly discovered young flare stars were imaged using NAOS/CONICA to search for distant companions. Depending on the space motion of the stars, they have to be reobserved in one or more years to distinguish comoving companions from stagnant background stars. In this work we have measured radial velocity variations of young stars for the first time using the échelle spectrograph of the Thüringer Landessternwarte. In these measurements one can see the problems of such an investigation, such as variability caused by activity and stellar spots. But one can also see that it is in principle possible to detect planets around active young stars. To verify the results and to measure longer rotation periods, we have to observe these stars for another season.

Abstract

Junge Sterne in Sonnennähe (innerhalb von 100 pc) sind in vieler Hinsicht eine interessante Stichprobe: Sie sind relativ hell und durch ihre räumliche Nähe kann mit adaptiver Optik an 8~bis~10 m Teleskopen (z.B. VLT oder Keck) eine hohe räumliche Auflösung erreicht werden. Im K-Band liegt diese bei etwa 50 mas, also 5 AE bei Sternen näher als 100 pc; 5 AE ist etwa der Abstand von Jupiter und Sonne. Diese Möglichkeit kann dazu genutzt werden, umgebendes Material wie Scheiben aus Staub und Gas, sowie enge stellare und substellare Begleiter zu studieren. Eine Stichprobe bestehend aus jungen Sternen in Sonnennähe im Entwicklungstadium zwischen klassischen T Tauri Sternen mit Scheibe und der Nullalterhauptreihe kann der Katalog der sogenannten Flaresterne - zusammengestellt von Gershberg et al. (1999) - sein, denn junge Sterne sind häufig variabel und zeigen Ausbrüche (Flares). Um zunächst zu verifizieren, dass diese Sterne tatsächlich jung sind und nicht nur deshalb oberhalb der Hauptreihe in einem Hertzsprung-Russell Diagramm zu liegen kamen, weil sie alt oder nicht aufgelöste Doppel- oder Mehrfachsterne sind, haben wir die 223 oberhalb der Hauptreihe liegenden Sterne der 463 Sterne des Katalogs spektroskopiert; die Entfernung der Sterne wurde meist durch Hipparcos gemessen und liegt bei wenigen bis 100 pc. Ziel war es, die Lithiumabsorptionslinie bei 6708 A zu detektieren, die alle jungen Sterne zeigen. Zusätzlich dazu sollten weitere spektroskopische Signaturen, wie die Auffüllung oder Emission der H alpha-, Magnesium Ib- und Kalziumlinien identifiziert werden. Die G- und K-Sterne der nördlichen Hemisphere wurden auss erdem mit hoher spektraler Auflösung sowie hohem Signal-zu-Rauschverhältnis aufgenommen, um die Sterne mit Methoden der Spektralsynthese zu untersuchen und um deren physikalische Parameter wie Oberflächengravitation, chemische Zusammensetzung und Temperatur zu bestimmen. Die Altersbestimmung der 223 Sterne ergab, dass ihr Alter zwischen 10 Ma und der Nullalterhauptreihe liegt und 17 eindeutig Vorhauptreihensterne sind. Es ist zu bemerken, dass wir im Laufe dieser Arbeit den nächsten Vorhauptreihenstern entdeckt haben (HIP 108405 A, mit 10+-10 Ma in 16.1 pc Entfernung), jünger als GJ~182 (27 pc, 20+-10 Ma), der bisherige Rekordhalter. Ein Planet mit einer Masse von 5 MJup um einen für diese Stichprobe typischen M-Stern hätte in einer Entfernung von 16 pc eine scheinbare Helligkeit im K-Band von 14.5 bis 17.5 mag, also einen Magnitudenunterschied im K-Band DeltaK zwischen Stern und Begleiter von 8 bis 11 mag und wäre somit in einem Abstand von 1'' entsprechend einem projiziertem Abstand von 16 AE vom Stern entfernt, mit 8~bis~10 m Teleskopen detektierbar. Alle neuentdeckten jungen Flaresterne wurden in den letzten Monaten mit NAOS/CONICA beobachtet, um deren Umgebung nach entfernten Begleitern abzusuchen. Je nach Eigenbewegung der Sterne müssen diese ein oder mehrere Jahre später ein zweites Mal aufgenommen werden, um mitbewegende Begleiter von stillstehenden Hintergrundobjekten zu unterscheiden. Wir haben in dieser Arbeit erstmals Radialgeschwindigkeitsmessungen bei jungen Sternen mit dem Échellespektrograph der Thüringer Landessternwarte durchgeführt. Anhand exemplarischer Messungen kann man deutlich die Probleme einer solchen Messung sehen, wie Variabilität aufgrund von stellarer Aktivität und Sternflecken. Man kann aber auch sehen, dass es prinzipiell möglich ist Planeten um aktive junge Sterne zu detektieren. Zur Bestätigung der Ergebnisse und um längere Umlaufperioden zu messen, müssen die Sterne noch eine weitere Saison beobachtet werden.