Els camps magnètics de 29 estels nans vermells actius: dades del Consorci Carmenes

Astrofísica: L’observatori CARMENES (Calar Alto high-Resolution search for M dwarfs with Exoearths with Near-infrared and Optical Échelle Spectographs) té com a objectiu la recerca de “terres blaves al voltant de nans vermells”, és a dir la recerca de planetes semblants al nostre en la zona teòrica d’habitabilitat al voltant dels estels nans de tipus espectral M. És, doncs, un projecte d’exoplanetologia, amb una perspectiva exobiològica, adreçats al tipus d’estel més abundant de l’univers. Les “Cármenes” són, precisament, aquests planetes blaus al voltant d’estels vermells. En total, el projecte pretén estudiar vora 300 estels, obtenint-ne espectrografies de l’infravermell proper (longituds d’ona de 0,52-1,71 µm), amb les quals calcular variacions de velocitat radial de vora 1 m/s. Els responsables del projecte esperen detectar 2 planetes de massa terrestre en la zona habitable d’estels de tipus M5V. Però, fins quin punt aquestes “Cármenes” són “semblants” a la Terra. Sí, poden tenir una massa semblant i rebre una aportació energètica del seu estel semblant. Però un estel M5V és ben diferent d’un estel G2V com el nostre Sol. Els estels de tipus M generen camps magnètics més forts, i aquesta activitat s’associa amb una inestabilitat en forma de flamarades que conviden ben poc a l’habitabilitat, bo i més quan la zona d’habitabilitat d’aquestes estels és tan acostada que normalment la rotació planetària queda fixada amb la translació (de tal manera que els dits planetes tenen un hemisferi permanentment il·luminat i un de permanentment enfosquit). Per saber més de les “Cármenes” hem de conèixer millor els seus estels. Però el projecte CARMENES també ens permet d’estudiar amb detall els camps magnètics d’aquests estels. El número de juny de la revista Astronomy & Astrophysics, en la secció d’atmosferes estel·lars, conté un article d’investigadors del consorci CARMENES sobre aquesta qüestió. Analitzen 29 estels nans M actius: troben que tots ells presenten forts camps magnètics. L’alta resolució espectral assolida pel seu instrument els permet d’oferir una explicació més precisa de la interrelació entre energia magnètica, rotació estel·lar i acció de dinamo.

Relació entre camp magnètic (eix vertical) i període de rotació (eix horitzontal) per 51 estels nans M. En vermell apareixen les dades obtingudes per estudis previs, i en blau les aportacions de l’instrument CARMENES. Per a períodes de rotació superiors a 4 dies hi ha una relació inversa entre període de rotació i força del camp magnètic

Els camps magnètics dels estels nans vermells

El Consorci CARMENES és integrat per 11 institucions: Max-Planck-Institut für Astronomie (Heidelberg), Instituto de Astrofísica de Andalucía (Granada), Landessternwarte Königstuhl (Heidelberg), Institut de Ciències de l’Espai (Barcelona), Institut für Astrophysik Göttingen, Universidad Complutense de Madrid, Thüringer Landessternwarte Tautenburg, Instituto de Astrofísica de Canarias, Hamburger Sternwarte, Centro de Astrobiología (Madrid) i Centro Astronómico Hispano-Alemán (Calar Alto). És a l’observatori de Calar Alto, a la província d’Almeria, on es troben els dos espectrògrafs que constitueixen l’instrument CARMENES.

L’objectiu principal de l’instrument CARMENES és obtindre dades de velocitat radial de nans vermells, és a dir de la seva velocitat relativa en relació al nostre Sistema Solar. Fluctuacions en velocitat radial poden ésser causades per la presència de planetes en translació al voltant d’aquests estels. Alhora, les dades espectrogràfiques permeten conèixer també altres aspectes de l’estel, particularment sobre el seu camp magnètic.

En el 1910, Ejnar Hertzsprung i Henry Norris Russell idearen un diagrama de representació dels estels segons la lluminositat absoluta (eix y) i la temperatura efectiva (eix x). En el diagrama Hertzsprung-Russell s’hi col·loquen 23.000 estels de Catàleg Hipparcos i del Catàleg Gliese. La majoria d’estels pertanyen a allò que s’anomena per aquesta raó la “seqüència principal”. En la cua de la seqüència principal, en el cantó de menor lluminositat i menor temperatura trobem els “nans vermells”

Dels estels de la seqüència principal, els camps magnètics més forts són els dels estels menys lluminosos i més freds, és a dir els nans de categoria espectral M (els nans vermells). Els camps magnètics d’aquestes estels arriben a l’ordre de milers de gauss (o, si volem emprar la unitat d’inducció magnètica del sistema internacional, a l’ordre de dècimes de tesla). Això val per a estels que tenen una escorça convectiva, és a dir en la que transferència de calor es realitza per grans moviments verticals de material. Els camps magnètics es generen per dinamos convectius de l’interior de l’estel, l’energia dels quals procedeix de la rotació estel·lar. El magnetisme estel·lar, al seu torn, és responsable d’una sèrie de fenòmens d’activitat estel·lar: taques (zones fosques), platges o flòculs (zones brillants), cromosferes calentes, corones, etc. Aquesta activitat estel·lar és ben fàcil de seguir en el nostre Sol, però per als estels, que són massa lluny, cal seguir-la a través de línies d’emissions, de raigs X, de variabilitat fotomètrica o d’emissió de radioones.

La relació entre rotació i activitat estel·lar no és homogènia. En general, l’activitat estel·lar (mesurada en flux de raigs X) és inversament proporcional a la rotació, per un fenomen anomenat “frenada magnètica”. Però si la rotació és elevada, d’un període inferior a 4 dies, l’activitat estel·lar ja no mostra una correlació amb la rotació, degut a una saturació de la dinamo estel·lar. La densitat de flux magnètica en aquesta condició de saturació seria de 4 kG (0,4 T).

A través de la combinació de dades espectrals corresponents a diferents línies atòmiques (Ti, etc.) i moleculars (FeH, etc. es possible fer una estimació del camp magnètic d’un estel nan M. El límit esmentat de 4 kG sembla complir-se per a estels amb camps globals dominats per multipol. En estels on la geometria dominant és la de dipol aquest valor pot pujar encara fins a 7 kG (com passa amb l’estel WX Uma).

Els investigadors de CARMENES poden oferir una mesura del camp magnètic a través de l’espectroscòpia de l’infravermell proper (NIR) d’alta resolució. Han triat una submostra d’estels amb períodes de rotació breus, en els quals es poden arribar a condicions magnètiques de saturació. Les dades obtingudes, això sí, són de densitat total de flux magnètic, i no poden distingir entre geometries de dipol i de multipol.

Una submostra de 31 estels

L’instrument CARMENES ofereix una espectrografia d’alta resolució (R=80.000) que cobreix longituds d’ona de 520 nm (llum vermella) fins a 1710 nm (microones).

El projecte CARMENES treballa amb un total de 300 estels. Dins d’aquests estels han seleccionat 31 amb valors elevats de velocitat radial. Són estels que han estat mesurats en diverses ocasions (un mínim d’11 vegades entre el 2016 i el 2017). Per a aquests estels seleccionen les dades del canal NIR de l’instrument, processades amb l’eina CARACAL. Amb el paquet informàtic SERVAL calculen les velocitats radials d’aquests estels.

L’observatori de Calar Alto, a 2.168 metres d’altura sobre el nivell del mar, no deixa d’ésser un observatori de superfície, i això és rellevant quan es tracta de manipular dades NIR. El vapor d’aigua de l’atmosfera terrestre pot interferir en l’estimació de línies espectrals de titani (Ti) dels estels observats. Shulyak et al., doncs, han hagut de descartar observacions quan sospitaven de possible contaminació (emprant el programa MolecFit).

Mitjançant el programa Magnesyn del paquet de modelització d’atmosferes estel·lars Llmodels, Shulyak et al. obté una síntesi espectral directa per a cada estel. Les línies utilitzades són les corresponents a transicions Wing-Ford F4Δ – X4Δ de molècules FeH (longituds d’ona de 990-995 nm) i les d’àtoms de Ti (longituds d’ona de 960-980 nm).

Resultats per a 29 estels actius

Descartats doncs els espectres que haguessin pogut patir una contaminació per l’atmosfera terrestre, Shulyak et al. presenten dades sobre 29 dels 31 estels seleccionats (n’han estat exclosos J18356+329 i J19255+096). Són 29 estels nans de tipus espectral M, amb períodes de rotació breus (de 0,1 dies a 10 dies; recordem que el nostre Sol té un període de rotació de 25 dies, o que Proxima Centauri el té de 83 dies). D’aquests 29 estels, n’hi ha 5 amb velocitats de rotació (v sin i) superiors a 30 km/s.

Dels 29 estels, n’hi ha 13 dels quals hi havia mesures prèvies de camp magnètic. En 9 d’aquests estels les dades de CARMENES i les dades prèvies mostren un bon acord.

Shulyak et al. estimen els camps magnètics separadament d’acord amb les línies Ti i les línies FeH. Totes dues estimacions coincideixen en general per als estels, com passa amb J03473-019, J05365+113, J07446+035, J15218+209 i J22468+443. Les dues estimacions coincideixen especialment en estels de velocitat moderada de rotació i en els que la qualitat dels espectres és bona, però en són excepció els estels J06000+027 i J18498-238, en els que les velocitats de rotació semblen més elevades si es computen per les línies Ti que no pas si es computen per les línies FeH.

Hi ha més discrepància, de tota manera, entre les dades de línies Ti i de línies FeH quan es tracta d’estels de major velocitat de rotació. És el cas de l’estel J17338+169, on la discrepància arriba a un valor d’estimació del camp magnètic de 2,4 kG, possiblement atribuïble a la contaminació de les línies Ti amb les de vapor d’aigua terrestre. Un problema semblant afectaria les mesures de l’estel J18189+661. També hi ha una considerable discrepància en el cas de l’estel J01352-072, possiblement per problemes en les línies FeH.

Les dades de CARMENES distingeixen entre dos patrons magnètics. El primer patró és d’una distribució ben uniforme, com és el cas dels estels J01033+623, J07446+035, J08298+267 i J12156+526. El segon patró és heterogeni, fet d’una combinació de diferents components dominants: és el cas dels estels J02088+494, J16555+083, J22012+283, J18022+642 i J18189+661. Aquest patró d’homogeneïtat no es correspon a la geometria del camp magnètic:
– l’estel J01033+623, que té una geometria dipolar segons estudis previs, segueix un patró homogeni
– els estels J08298+267 i J19169+051S, que tenen una geometria multipolars segons estudis previs, segueixen un patró homogeni.

Dels 29 estels analitzats, la majoria són objectes completament convectius, en el sentit que els moviments convectius deuen arribar fins al nucli estel·lar. N’hi ha 4 estels (J03473-019, J05365+113, J15218+209, J22518+317), però, que pertanyen a tipus espectrals a inferiors a M3.5, de manera que els moviments convectius s’hi limiten a l’escorça o embolcall estel·lar. Aquests 4 estels presenten en general camps magnètics menys forts que els estels de convectivitat completa.

L’homogeneïtat del camp magnètic

L’homogeneïtat del camp magnètic dels estels estudiats per Shulyak et al. no s’associa ni amb l’abast de la convectivitat de l’estel ni amb la geometria del camp magnètic. L’abast de convectivitat sí s’associa positivament amb la potència del camp magnètic. També ho fa la geometria, de manera que els camps de domini de multipol tendeixen a ésser més potents que els camps de domini de dipol. Aquests tres factors, de tota manera, deuen encreuar-se per determinar elements de l’activitat estel·lar com les taques pel que fa a la mida i a la distribució.

Els camps magnètics dels estels nans M

Els 29 camps magnètics analitzats mostren valors de densitat de flux magnètic superior a 1 kG. En 12 estels aquests valors arriben a superar els 4 kG.

Els estels seleccionats són d’alta rotació, però és remarcable que n’hi hagi 17 amb períodes de rotació inferiors a 1 dia.

Shulyak et al. troben que J07446+035 i J23548+385 tenen una potència i una distribució de camp magnètic molt semblant. Així doncs, consideren interessant obtindre dades sobre la geometria del camp magnètic, per tal d’entendre millor la relació entre aquests tres factors.

Lligams:

Magnetic fields in M dwarfs from the CARMENES survey. D. Shulyak, A. Reiners, E. Nagel, L. Tal-Or, J. A. Caballero, M. Zechmeister, V. J. S. Béjar, M. Cortés-Contreras, E. L. Martin, A. Kaminski, I. Ribas, A. Quirrenbach, P. J. Amado, G. Anglada-Escudé, F. F. Bauer, S. Dreizler, E. W. Guenther, T. Henning, S. V. Jeffers, M. Kürster, M. Lafarga, D. Montes, J. C. Morales and S. Pedraz. Astronomy and Astrophysics 626: A86 (2019).

CARMENES: Blue earths around red dwarfs.

Aquesta entrada ha esta publicada en 1. L'Univers. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Una resposta a Els camps magnètics de 29 estels nans vermells actius: dades del Consorci Carmenes

  1. didaclopez diu:

    Pel que fa a l’objectiu de trobar 2 planetes de massa terrestre en la zona d’habilitabilitat d’algun d’aquests 300 estels, cal dir que han trobat dos candidats en l’òrbita de l’Estel de Teegarden:
    https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/forth/aa35460-19.pdf

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *

Aquest lloc utilitza Akismet per reduir el correu brossa. Aprendre com la informació del vostre comentari és processada