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Magnetic fields in Sun-like stars and their effects on circumstellar environments
Magnetic fields in Sun-like stars and their effects on circumstellar environments
Diese Dissertation untersucht, wie verschiedene Eigenschaften der Oberflächenmagnet- felder in sonnenähnlichen Sternen, wie zb. die Feldstärke, Topologie und Komplexität, die zirkumstellare Umgebung dieser Systeme beeinflussen. Diese Umgebung, die bis zum Rand der Astrosphäre reicht, versteht man als physikalische Bedingungen, die die Struktur des Koronal- und Sternwindes definieren. Während die Verbindung zwischen Sternmag- netismus und der erweiterten Umgebung für alle sonnenähnliche Sterne (G bis M-Typ) wichtig ist, werden in dieser Doktorarbeit solche Systeme untersucht, welche Planeten haben. Im Rahmen der Arbeit werden einige der modernsten Beobachtungstechniken in Sternmagnetismus mit den neuesten numerischen Simulationen kombiniert. Der Beobachtungsaspekt umfasst bodengestützte, hochauflösende spektropolarimetrische Daten, aufgenommen mit dem High Accuracy Radial velocity Planet Searcher (HARPS), das am ESO La Silla 3.6m Teleskop angebracht ist. Hier wird eine vollständige spek- tropolarimetrische Analyse von zwei sonnenähnlichen Planeten-Muttersternen, HD 1237 (G8V) und HD 147513 (G5V), vorgestellt. Dies umfasst geeichte Aktivitätsmessungen der Chromosphäre und die erste Erfassung des Längs-Oberflächenmagnetfeldes. Darüber hin- aus, werden in diesen Sternen, durch phasenaufgelöste spektropolarimetrische Zeitreihen und mit Hilfe der “Zeeman-Doppler-Imaging” (ZDI) tomographischern Technik, die foto- sphärischen Magnetfelder auf großen Skalen rekonstruiert (ZDI Karten). Verschiedene Elemente werden in Verbindung mit dem ZDI Verfahren erforscht, mit dem Ziel, die Qualität und Zuverlässigkeit der Feldrekonstruktion zu verbessern. Ein wichtiges Ergebnis dieser Analyse ist die Einbeziehung eines Abbruchkriteriums für den Grad des Fits an die Datenpunkte, basierend auf dem Informationsgehalt (image entropy) der ZDI Lösungsmenge. Dieses Kriterium hilft, den optimalen Grad der Anpassung des Models an die Daten zu finden und verhindert das Auftreten von Artefakten in dem endgültig rekon- struierten Bild, die aufgrund vom Rauschen während der Anpassung auftreten können. Außerdem, da die gewonnenen Feldstärken in ZDI vom Grad der Anpassung abhängig sind, trägt diese Methode wesentlich zum systematischen Vergleich von magnetischen Karten von mehreren Epochen eines bestimmten Objekts bei und/oder zwischen anderen Ster- nen. Alle ZDI Rekonstruktionen in dieser Arbeit wurden mit Hilfe vom diesem Anpassung- Abbruchkriterium erstellt. Die numerische Komponente beinhaltet detaillierte datengestützte Modellierung der Corona, Sternwinden, inneren Astrosphären und der exoplanetaren Bedingungen um dieser Systeme. Die Simulationen werden mit einem leistungsstarken 3D-Magnetohydrodynamik (MHD) Code durchgeführt, der am Center for Space Environment Modelling (CSEM) an der Universität in Michigan entwickelt wurde, und derzeit für Weltraumwetterstudien und Prognosen im Sonnensystem verwendet wird. Zwei Sonnensimulationen (für das Minimum und Maximum des Aktivitätszyklus) werden für ein qualitatives und quantitatives Bewer- tungsverfahren der Modelle im Vergleich zu Satellitendaten verwendet. Für jedes Stern- system werden die ZDI Magnetfeldkarten in das Modell integriert, welche zu einer selb- stkonsistenten Lösung führen. Auf diese Weise wird die Umgebung jedes Systems detail- liert charakterisiert. Die wichtigsten Ergebnissen sind unter anderem die Massenverlus- traten die mit dem Sternwind verbunden sind, die hochenergetische Koronale Emission der Muttersterne und die Eigenschaften des Sternwindes an den inneren Rändern ihrer Habit- ablen Zonen (HZ). Diese Eigenschaften zeigen deutliche Abhängigkeit von der großskaligen magnetischen Feldstärke (genauer gesagt, mit dem absoluten Oberflächenmagnetfluss), welche parametrisiert und mit früheren Beobachtungen und numerischen Arbeiten ver- glichen werden. Insbesondere wurden die beobachteten Skalierungsbeziehungen zwischen dem Oberflächenmagnetfluss und der Röntgenleuchtkraft von unseren Beobachtungsdaten- getriebenen Modellen reproduziert. Schließlich werden zusätzliche Simulationen durchge- führt um die Wind-Exoplaneten Wechselwirkungen an verschiedenen Orbitalpositionen im HD 1237 System zu bewerten. Dies zeigt, dass im Allgemeinen der Prozess der Teilchenzuführung in die Planetenatmosphären empfindlicher auf die Teilchendichte als das Geschwindigkeitsprofil des Sternwindes ist. Da sich die Menge an spektropolarimetrischen Daten und ZDI Studien vergrößert, kann die Methodik die in dieser Arbeit untersucht wurde, auf sehr unterschiedliche weitere Sys- teme angewendet werden. Dies würde einen klaren Weg definieren, um die hier vorgestell- ten Ergebnisse zu erweitern und gleichzeitig wichtige Informationen für die wachsenden Forschungsgebiete der Exoplanetencharakterisierung und Astrobiologie liefern., This dissertation investigates how different properties of the surface magnetic field in Sun- like stars, such as the field strength, topology, and complexity, influence the circumstellar environment around these systems. This environment is understood as the physical con- ditions imposed by the coronal and stellar wind structure, extending up to the edge of the astrosphere. While the connection between stellar magnetism and the extended en- vironment is important for all Sun-like stars (G to M type), planet-hosting systems are investigated in this thesis. The adopted framework combines some of the latest observa- tional techniques in stellar magnetism with state-of-the-art numerical simulations. The observational aspect comprises ground-based, high-resolution spectropolarimetric data from the High Accuracy Radial velocity Planet Searcher (HARPS) attached at the ESO La Silla 3.6m telescope. A complete spectropolarimetric analysis of two planet-hosting Sun-like stars, namely HD 1237 (G8V) and HD 147513 (G5V), is presented. This includes calibrated chromospheric activity measurements and the first detection of their surface longitudinal magnetic field. In addition, by using phase-resolved spectropolarimetric time- series and with the aid of the tomographic technique of Zeeman-Doppler Imaging (ZDI), the large-scale photospheric magnetic field in these stars is reconstructed (ZDI maps). Various elements connected with the ZDI procedure are explored, with the aim of improving the quality and reliability of the large-scale field reconstructions. An important result of this analysis is the inclusion of a stopping criterion for the degree of fit to the data, based on the information content (image entropy) of the set of ZDI solutions. This criterion helps to identify the optimal model-to-observations degree of fit, preventing the appearance of artefacts in the final reconstructed image due to fitting noise. Furthermore, as the recovered field strengths in ZDI depend on the fit level, this methodology contributes substantially to the systematic comparison of multi-epoch magnetic maps of a given object and/or between different stars. All the ZDI reconstructions presented in this thesis have been obtained using this fit-stopping criterion. The numerical component involves detailed data-driven modelling of the coronae, stellar winds, inner astrospheres, and the exoplanetary conditions around these systems. Simu- lations are carried out using a high-performance 3D magnetohydrodynamics (MHD) code, developed at the Center for Space Environment Modelling (CSEM) of the University of Michigan, and currently used for solar system space weather studies and forecast. Two solar simulations (covering activity cycle minimum and maximum) are employed for a quali- tative and quantitative evaluation procedure of the models against satellite data. For each stellar system, the ZDI magnetic field maps are incorporated in the model to drive a self-consistent solution. In this way a detailed characterization of the environment of each system is obtained. The main results include the mass loss rates associated with the stellar wind, the high-energy coronal emission of the host-star, and the stellar wind properties at the inner edges of their Habitable Zones (HZ). These properties show clear dependencies on the large-scale magnetic field strength (more specifically with the unsigned surface magnetic flux), which are parametrised and compared with previous observational and numerical works. In particular, scaling relationships between the surface magnetic flux and the X-ray luminosity are properly recovered from these observationally-driven mod- els. Finally, additional simulations are performed to assess wind-exoplanet interactions at different orbital locations in the HD 1237 system. This reveals that in general, the process of particle injection into the planetary atmosphere is more sensitive to the particle density rather than the velocity profile of the stellar wind. As the amount of spectropolarimetric data and ZDI studies increase, the methodology investigated in this thesis can be applied to a wide variety of additional systems. This would represent a clear path to expand on the results presented here providing, at the same time, critical information for the growing fields of exoplanet characterization and astrobiology.
Stellar Magnetism, Spectropolarimetry, Zeeman Doppler Imaging, Magneto-Hydrodynamics, Exoplanetary Systems, Circumstellar Environment, Stellar Coronae, Stellar Winds
Alvarado-Gómez, Julián David
2016
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Alvarado-Gómez, Julián David (2016): Magnetic fields in Sun-like stars and their effects on circumstellar environments. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Diese Dissertation untersucht, wie verschiedene Eigenschaften der Oberflächenmagnet- felder in sonnenähnlichen Sternen, wie zb. die Feldstärke, Topologie und Komplexität, die zirkumstellare Umgebung dieser Systeme beeinflussen. Diese Umgebung, die bis zum Rand der Astrosphäre reicht, versteht man als physikalische Bedingungen, die die Struktur des Koronal- und Sternwindes definieren. Während die Verbindung zwischen Sternmag- netismus und der erweiterten Umgebung für alle sonnenähnliche Sterne (G bis M-Typ) wichtig ist, werden in dieser Doktorarbeit solche Systeme untersucht, welche Planeten haben. Im Rahmen der Arbeit werden einige der modernsten Beobachtungstechniken in Sternmagnetismus mit den neuesten numerischen Simulationen kombiniert. Der Beobachtungsaspekt umfasst bodengestützte, hochauflösende spektropolarimetrische Daten, aufgenommen mit dem High Accuracy Radial velocity Planet Searcher (HARPS), das am ESO La Silla 3.6m Teleskop angebracht ist. Hier wird eine vollständige spek- tropolarimetrische Analyse von zwei sonnenähnlichen Planeten-Muttersternen, HD 1237 (G8V) und HD 147513 (G5V), vorgestellt. Dies umfasst geeichte Aktivitätsmessungen der Chromosphäre und die erste Erfassung des Längs-Oberflächenmagnetfeldes. Darüber hin- aus, werden in diesen Sternen, durch phasenaufgelöste spektropolarimetrische Zeitreihen und mit Hilfe der “Zeeman-Doppler-Imaging” (ZDI) tomographischern Technik, die foto- sphärischen Magnetfelder auf großen Skalen rekonstruiert (ZDI Karten). Verschiedene Elemente werden in Verbindung mit dem ZDI Verfahren erforscht, mit dem Ziel, die Qualität und Zuverlässigkeit der Feldrekonstruktion zu verbessern. Ein wichtiges Ergebnis dieser Analyse ist die Einbeziehung eines Abbruchkriteriums für den Grad des Fits an die Datenpunkte, basierend auf dem Informationsgehalt (image entropy) der ZDI Lösungsmenge. Dieses Kriterium hilft, den optimalen Grad der Anpassung des Models an die Daten zu finden und verhindert das Auftreten von Artefakten in dem endgültig rekon- struierten Bild, die aufgrund vom Rauschen während der Anpassung auftreten können. Außerdem, da die gewonnenen Feldstärken in ZDI vom Grad der Anpassung abhängig sind, trägt diese Methode wesentlich zum systematischen Vergleich von magnetischen Karten von mehreren Epochen eines bestimmten Objekts bei und/oder zwischen anderen Ster- nen. Alle ZDI Rekonstruktionen in dieser Arbeit wurden mit Hilfe vom diesem Anpassung- Abbruchkriterium erstellt. Die numerische Komponente beinhaltet detaillierte datengestützte Modellierung der Corona, Sternwinden, inneren Astrosphären und der exoplanetaren Bedingungen um dieser Systeme. Die Simulationen werden mit einem leistungsstarken 3D-Magnetohydrodynamik (MHD) Code durchgeführt, der am Center for Space Environment Modelling (CSEM) an der Universität in Michigan entwickelt wurde, und derzeit für Weltraumwetterstudien und Prognosen im Sonnensystem verwendet wird. Zwei Sonnensimulationen (für das Minimum und Maximum des Aktivitätszyklus) werden für ein qualitatives und quantitatives Bewer- tungsverfahren der Modelle im Vergleich zu Satellitendaten verwendet. Für jedes Stern- system werden die ZDI Magnetfeldkarten in das Modell integriert, welche zu einer selb- stkonsistenten Lösung führen. Auf diese Weise wird die Umgebung jedes Systems detail- liert charakterisiert. Die wichtigsten Ergebnissen sind unter anderem die Massenverlus- traten die mit dem Sternwind verbunden sind, die hochenergetische Koronale Emission der Muttersterne und die Eigenschaften des Sternwindes an den inneren Rändern ihrer Habit- ablen Zonen (HZ). Diese Eigenschaften zeigen deutliche Abhängigkeit von der großskaligen magnetischen Feldstärke (genauer gesagt, mit dem absoluten Oberflächenmagnetfluss), welche parametrisiert und mit früheren Beobachtungen und numerischen Arbeiten ver- glichen werden. Insbesondere wurden die beobachteten Skalierungsbeziehungen zwischen dem Oberflächenmagnetfluss und der Röntgenleuchtkraft von unseren Beobachtungsdaten- getriebenen Modellen reproduziert. Schließlich werden zusätzliche Simulationen durchge- führt um die Wind-Exoplaneten Wechselwirkungen an verschiedenen Orbitalpositionen im HD 1237 System zu bewerten. Dies zeigt, dass im Allgemeinen der Prozess der Teilchenzuführung in die Planetenatmosphären empfindlicher auf die Teilchendichte als das Geschwindigkeitsprofil des Sternwindes ist. Da sich die Menge an spektropolarimetrischen Daten und ZDI Studien vergrößert, kann die Methodik die in dieser Arbeit untersucht wurde, auf sehr unterschiedliche weitere Sys- teme angewendet werden. Dies würde einen klaren Weg definieren, um die hier vorgestell- ten Ergebnisse zu erweitern und gleichzeitig wichtige Informationen für die wachsenden Forschungsgebiete der Exoplanetencharakterisierung und Astrobiologie liefern.

Abstract

This dissertation investigates how different properties of the surface magnetic field in Sun- like stars, such as the field strength, topology, and complexity, influence the circumstellar environment around these systems. This environment is understood as the physical con- ditions imposed by the coronal and stellar wind structure, extending up to the edge of the astrosphere. While the connection between stellar magnetism and the extended en- vironment is important for all Sun-like stars (G to M type), planet-hosting systems are investigated in this thesis. The adopted framework combines some of the latest observa- tional techniques in stellar magnetism with state-of-the-art numerical simulations. The observational aspect comprises ground-based, high-resolution spectropolarimetric data from the High Accuracy Radial velocity Planet Searcher (HARPS) attached at the ESO La Silla 3.6m telescope. A complete spectropolarimetric analysis of two planet-hosting Sun-like stars, namely HD 1237 (G8V) and HD 147513 (G5V), is presented. This includes calibrated chromospheric activity measurements and the first detection of their surface longitudinal magnetic field. In addition, by using phase-resolved spectropolarimetric time- series and with the aid of the tomographic technique of Zeeman-Doppler Imaging (ZDI), the large-scale photospheric magnetic field in these stars is reconstructed (ZDI maps). Various elements connected with the ZDI procedure are explored, with the aim of improving the quality and reliability of the large-scale field reconstructions. An important result of this analysis is the inclusion of a stopping criterion for the degree of fit to the data, based on the information content (image entropy) of the set of ZDI solutions. This criterion helps to identify the optimal model-to-observations degree of fit, preventing the appearance of artefacts in the final reconstructed image due to fitting noise. Furthermore, as the recovered field strengths in ZDI depend on the fit level, this methodology contributes substantially to the systematic comparison of multi-epoch magnetic maps of a given object and/or between different stars. All the ZDI reconstructions presented in this thesis have been obtained using this fit-stopping criterion. The numerical component involves detailed data-driven modelling of the coronae, stellar winds, inner astrospheres, and the exoplanetary conditions around these systems. Simu- lations are carried out using a high-performance 3D magnetohydrodynamics (MHD) code, developed at the Center for Space Environment Modelling (CSEM) of the University of Michigan, and currently used for solar system space weather studies and forecast. Two solar simulations (covering activity cycle minimum and maximum) are employed for a quali- tative and quantitative evaluation procedure of the models against satellite data. For each stellar system, the ZDI magnetic field maps are incorporated in the model to drive a self-consistent solution. In this way a detailed characterization of the environment of each system is obtained. The main results include the mass loss rates associated with the stellar wind, the high-energy coronal emission of the host-star, and the stellar wind properties at the inner edges of their Habitable Zones (HZ). These properties show clear dependencies on the large-scale magnetic field strength (more specifically with the unsigned surface magnetic flux), which are parametrised and compared with previous observational and numerical works. In particular, scaling relationships between the surface magnetic flux and the X-ray luminosity are properly recovered from these observationally-driven mod- els. Finally, additional simulations are performed to assess wind-exoplanet interactions at different orbital locations in the HD 1237 system. This reveals that in general, the process of particle injection into the planetary atmosphere is more sensitive to the particle density rather than the velocity profile of the stellar wind. As the amount of spectropolarimetric data and ZDI studies increase, the methodology investigated in this thesis can be applied to a wide variety of additional systems. This would represent a clear path to expand on the results presented here providing, at the same time, critical information for the growing fields of exoplanet characterization and astrobiology.