Stellar magnetic activity from the photosphere to circumstellar disks

Abstract

The study of solar activity is among the oldest branches of astronomy. With the invention of new observation techniques, the scope of activity research was expanded beyond the Sun, giving rise to the field of stellar activity. An important phase of progress was initiated by the development of space-based instrumentation, allowing astronomers to access wavelength regimes obscured by the Earth's atmosphere. The thus opened spectral window of X-rays yields fundamental insights into the nature of stellar magnetic activity, particularly valuable for the study of young stars. No more than 15 years ago, the discovery of the first extrasolar planet sparked the inflation of a virtually nonexistent area of research, which has now evolved into one of the largest and most attractive branches of astronomy, namely that of extrasolar planets.

In this work, stellar activity is investigated from several points of view. The topics reach from the rather classical field of starspots to the study of circumstellar material via reprocessed X-ray light and magnetic activity in substellar objects. The studies are carried out using data from the optical observatory CoRoT and the Chandra X-ray observatory.

The starting point is an analysis of the optical light curve of the young, though otherwise solar-like, star CoRoT-2a aimed at studying the influence of stellar activity on the profile of transits caused by an eclipsing Jovian planet. Furthermore, a novel light curve inversion technique is applied to reconstruct the surface brightness distribution of the host star.

Stellar spots on the host star CoRoT-2a are found to have a significant impact on the shapes of the transit light curves, which cannot be neglected in an accurate procedure to determine the planetary parameters. For a continuous span of about half a year, the surface brightness distribution of the host star is simultaneously reconstructed in two distinct regions defined by the surface fraction eclipsed and not eclipsed by the planetary disk during a transit. The corresponding maps show a brightness distribution consistent with the presence of two active longitudes located on opposing hemispheres.

In the following part of the work, X-ray sources in the Orion star forming region, the target of the Chandra Orion Ultradeep Project, are searched for fluorescent Kalpha line emission, which is believed to originate from photoionization in illuminated circumstellar disks. A test for the validity of this formation scenario is provided by the temporal behavior of the line emission. Therefore, the light curve of the fluorescent line is examined in all sources with a detection.

Our analysis reveals 23 sources with significant emission in the Kalpha line. The temporal behavior of the line shows a large variety, which in some cases seems to contradict the most widely accepted photoexcitation scenario for the formation of the line. Nevertheless, photoexcitation remains the most plausible explanation, if complex source geometries are taken into account.

In the last part of the work at hand, the X-ray detection of the first known eclipsing brown-dwarf binary is reported. Brown dwarfs occupy an intermediate place between planets and stars on the mass scale, and the system under consideration is the first in which accurate parameters can be obtained for the constituents. Thus, it represents a potential landmark system for understanding the early evolution and activity of low mass objects.

The studies presented in this work demonstrate the enormous power of light curve analyses. While the study of the Kalpha line in stellar sources has probably reached the limits of currently available X-ray instrumentation, it will be interesting to pursue the analysis of optical light curves, because currently thousands of high quality, short cadence light curves are observed by the space-based planet searching missions CoRoT and Kepler.

Die Erforschung der Sonnenaktivität gehört zu den ältesten Zweigen der Astronomie. Der Fortschritt der Beobachtungstechnik ermöglichte eine Ausdehnung der Aktivitätsstudien weit über die Sonne hinaus in den Bereich der stellaren Aktivität. Die Entwicklung von satellitengestützten Instrumenten erlaubte den Astronomen den Zugriff auf Spektralbereiche, die von der Erdatmosphäre verdeckt werden. Die Erforschung des so erschlossenen Röntgenhimmels gestattet grundlegende Einsichten in die Natur stellarer magnetischer Aktivität, die besonders wertvoll für das Studium junger Sterne sind. Mit der Entdeckung des ersten extrasolaren Planeten vor 15 Jahren begann der rasante Aufstieg des bis dato kleinen, diesen Objekten gewidmeten, Forschungsbereichs zu einem der größten und aktivsten Zweige der Astronomie.

In der vorliegenden Arbeit werden unterschiedliche Aspekte stellarer Aktivität untersucht. Die Themen reichen von dem klassischen Feld der Sternenflecken über die Erforschung zirkumstellaren Materials mittels reprozessierter Röntgenstrahlung bis hin zur magnetischen Aktivität substellarer Objekte. Die Daten hierzu stammen von CoRoT im Optischen und von Chandra im Röntgenbereich.

Zu Beginn wird die optische Lichtkurve des sonnenähnlichen, jedoch jungen Sterns CoRoT-2a im Hinblick auf den Einfluss von Aktivität auf die Transitlichtkurven eines bedeckenden, jupiterähnlichen Planeten untersucht. Des Weiteren wird eine neue Lichtkurveninversionstechnik angewandt, um die Helligkeitsverteilung auf dem Stern zu rekonstruieren.

Stellare Aktivität hat einen signifikanten Effekt auf die Transitlichtkurven, der bei genauer Bestimmung der Planetenparameter nicht vernachlässigt werden sollte. Wir waren in der Lage, die Oberflächenhelligkeitsverteilung des Sterns über ein halbes Jahr hinweg in zwei, durch die Bedeckung des Planeten definierten, Bereichen zu rekonstruieren. Die zugehörigen Karten zeigen einen Stern mit zwei aktiven Längen auf gegenüberliegenden Hemisphären.

Anschließend werden Röntgenquellen einer Sternentstehungsregion im Orion untersucht, die im Rahmen des Chandra Orion Ultradeep Project beobachtet wurden. In den Quellen wird nach der Kalpha Fluoreszenzlinie gesucht und gegebenenfalls ihr Zeitverhalten analysiert. Die vorherrschende Meinung ist, dass die Kalpha Linienemission auf Photoionisation in beleuchteten zirkumstellaren Scheiben zurückzuführen ist. Dieses Szenario kann mittels des Zeitverhaltens der Linienemission getestet werden.

Die Analyse liefert 23 Quellen, die signifikante Kalpha Linienemission zeigen. Die zeitliche Variabilität der Kalpha Linie weist eine große Vielfalt auf. Einige Beobachtungen scheinen der weitverbreiteten These der Anregung durch Photoionisation zu widersprechen, die trotzdem die plausibelste Erklärung für den Ursprung der Linie darstellt, wenn komplexe Geometrien in Erwägung gezogen werden.

Im letzten Teil der Arbeit wird über die Röntgendetektion des ersten bedeckenden Paares Brauner Zwerge berichtet, die auf der Massenskala den Platz zwischen Planeten und Sternen einnehmen. Das untersuchte System ist das erste, in dem die Parameter von Braunen Zwergen genau bestimmt werden können, und nimmt somit eine Schlüsselstellung in der Erforschung der frühen Entwicklung und Aktivität von massearmen Objekten ein.

Die im Rahmen dieser Arbeit präsentierten Studien demonstrieren die enorme Aussagekraft von Lichtkurvenanalysen. Während die Analyse der Kalpha Linie in stellaren Quellen bereits an die Grenzen des momentan verfügbaren Instrumentariums führt, birgt die Analyse von optischen Helligkeitsverläufen noch großes Potential, da zur Zeit tausende hochwertiger Lichtkurven von den Weltraumobservatorien CoRoT und Kepler beobachtet werden.