Турбулентность и вращение в звездах солнечного типа

1Шеминова, ВА
1Главная астрономическая обсерватория Национальной академии наук Украины, Киев, Украина
Kinemat. fiz. nebesnyh tel (Online) 2019, 35(3):44-66
https://doi.org/10.15407/kfnt2019.03.044
Start Page: Физика звезд и межзвездной среды
Язык: русский
Аннотация: 

Микротурбулентные, макротурбулентные и тепловые движения в звездных атмосферах наряду с вращением звезды расширяют профили линий в звездных спектрах. Надежные данные о распределении по скоростям турбулентных движений в звездных атмосферах необходимы для выполнения однозначной интерпретации спектров звезд солнечного типа в исследованиях и поисках экзопланет. Звездные спектры с высоким спектральным разрешением 115 000, полученные на спектрографе HARPS, дают возможность исследовать турбулентные скорости и их зависимости с глубиной в фотосферах звезд. Мы выполнили анализ Фурье для 17 линий железа в спектрах 13 звезд с эффективными температурами 4900...6200 К и ускорением свободного падения 3.9...5.0, а также в спектре Солнца как звезды. Модели звездных атмосфер были взяты из базы данных MARCS. Стандартная концепция изотропной гауссовой микро- и макротурбулентности предполагалась в данном анализе. Удовлетворительное согласие синтезированных профилей спектральных линий с наблюдениями подтвердило надежность метода Фурье. В результате мы получили наиболее вероятные значения турбулентных скоростей, скорость вращения и содержание железа и их зависимости с глубиной в фотосферных слоях. Микротурбулентность не проявляет существенного изменения с глубиной, тогда как макротурбулентность явно зависит от глубины. Макротурбулентная скорость увеличивается с глубиной в атмосферах звезд. Чем больше эффективная температура звезды и сила гравитации, тем больший градиент макротурбулентности можно ожидать. Среднее значение макротурбулентной скорости увеличивается для звезд с более высокими температурами, меньшей силой гравитации и быстрым вращением. В анализируемых звездах средние скорости макро- и микротурбулентности коррелируют друг с другом и со скоростью вращения. Отношения значений скорости макротурбулентности и скорости вращения в звездах солнечного типа варьируют от 1 для наиболее горячих до 1.7 для наиболее холодных звезд. С возрастом звезды скорость вращения уменьшается более резко, чем скорость макротурбулентных движений.

Ключевые слова: вращение, звезды солнечного типа, метод Фурье, поле скоростей, профили линий, содержание железа
References: 

1. Gadun A. S., Sheminova V. A. (1988). SPANSAT: Programma rascheta profiley spektral'nykh liniy pogloshcheniya v zvezdnykh atmosferakh v LTR-priblizhenii. — Kiev, 37.— (Preprint / AN USSR. In-t teoret. fiziki; ITF-88-87R).

2. Gurtovenko E. A., Ratnikova V. A. (1976). Issledovaniye mikroturbulentnosti po ekvivalentnym shirinam umerennykh i umerenno-sil'nykh liniy. Astrometriya i astrofizika. 30. 14—25.

3. Sheminova V. A. (1984). Opredeleniye mikro-makroturbulentnykh skorostey i utochneniye postoyannoy zatukhaniya po profilyam fraungoferovykh liniy. Astrometriya i astrofizika. 51. 42—45.

4. Sheminova V. A. (1984). Turbulentnost' v fotosfere solntsa kak zvezdy. III. Mikro-makroturbulentnost'. Solnech. dannyye. Byull. Glav. astron. obs. 8. 70—78.

5. Asplund M., Grevesse N., Sauval A. J. (2005). The solar chemical composition. ASP Conf. Ser. 336. 25—38.

6. Barklem P. S., Aspelund-Johansson J. (2005). The broadening of Fe II lines by neutral hydrogen collisions. Astron. and Astrophys. 435. 373—377.

7. Barklem P. S., Piskunov N., O’Mara B. J. (2000). A list of data for the broadening of metallic lines by neutral hydrogen collisions. Astron. and Astrophys. Suppl. 142. 467—473.

8. Brewer J. M., Fischer D. A., Valenti J. A., Piskunov N. (2016). Spectral properties of cool stars: extended abundance analysis of 1,617 planet-search stars. Astrophys. J. 225. Id. 32. 36 p.

9. Bruntt H., Bedding T. R., Quirion P.-O., Lo Curto G., Carrier F., Smalley B., Dall T. H., Arentoft T., Bazot M., Butler R. P. (2010). Accurate fundamental parameters for 23 bright solar-type stars. Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 405. 1907—1923.

10. Doyle A. P., Davies G. R., Smalley B., Chaplin W. J., Elsworth Y. (2014). Determining stellar macroturbulence using asteroseismic rotational velocities from Kepler. Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 444. 3592—3602.

11. Fuhr J. R., Wiese W. L. (2006). A critical compilation of atomic transition probabilities for neutral and singly ionized iron. J. Phys. and Chem. Ref. Data. 35. 1669— 1809.

12. Gadun A. S., Kostyk R. I. (1990). Analysis of absorption line profiles in the spectra of the Sun and Procyon — velocity field and size of inhomogeneities. Sov. Astron. 34. N 3. 260—263.

13. Gonzalez G. (1998). Spectroscopic analyses of the parent stars of extrasolar planetary system candidates. Astron. and Astrophys. 334. 221—238.

14. Gray D. F. (1973). On the existence of classical microturbulence. Astrophys. J. 184. 461—472.

15. Gray D. F. (1975). Atmospheric turbulence measured in stars above the main sequence. Astrophys. J. 202. 148—164.

16. Gray D. F. (1977). A test of the micro-macroturbulence model on the solar flux spectrum. Astrophys. J. 218. 530—538.

17. Gray D. F. (1978). Turbulence in stellar atmospheres. Solar Phys. 59. 193—236.

18. Gray D. F. (1982). Observations of spectral line asymmetries and convective velocities in F, G, and K stars. Astrophys. J. 255. 200—209.

19. Gray D. F. (1982). The temperature dependence of rotation and turbulence in giant stars. Astrophys. J. 262. N 2. 682—699.

20. Gray D. F. (1984). Measurements of rotation and turbulence in F, G, and K dwarfs stars. Astrophys. J. 281. 719—722.

21. Gray D. F. (2005). The observation and analysis of stellar photospheres. 3rd Edition, by D. F. Gray. ISBN 0521851866, UK: Cambridge University Press. 484 p.

22. Gray D. F. (2014). The stable K0 giant star beta Gem. Astrophys. J. 796. N 4. Id. 88. 11 p.

23. Gray D. F. (2017). A spectral-line analysis of the G8 III standard Vir. Astrophys. J. 845. Id. 62. 10 p.

24. Gray D. F. (2018). A Solar-flux line-broadening analysis. Astrophys. J. 857. Id. 139. 8 p.

25. Gurtovenko E. A., Sheminova V. A. (1986). ’Crossing’ method for studying the turbulence in solar and stellar atmospheres. I — Application to the Sun. Solar Phys. 106. 237—247.

26. Gurtovenko E. A., Sheminova V. A. (2015). Formation depths of Fraunhofer lines. arXiv:1505.00975. 35 p.

27. Gustafsson B., Edvardsson B., Eriksson K., Jorgensen U. G., Nordlund A., Plez B. (2008). A grid of MARCS model atmospheres for late-type stars. I. Methods and general properties. Astron. and Astrophys. 486. 951—970.

28. Hinkle K., Wallace L. (2005). The spectrum of Arcturus from the infrared through the ultraviolet. ASP Conference Ser.336.321 p. (Cosmic Abundances as Records of Stellar Evolution and Nucleosynthesis, eds. T. G. Barnes, F. N. Bash).

29. Ivanyuk O. M., Jenkins J. S., Pavlenko Ya. V., Jones H. R. A., Pinfield D. J. (2017). The metal-rich abundance pattern — spectroscopic properties and abundances for 107 main-sequence stars. Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 468. 4151—4169.

30. Jenkins J. S., Jones H. R. A., Gozdziewski K. (2009). First results from the Calan-Hertfordshire Extrasolar Planet Search: exoplanets and the discovery of an eccentric brown dwarf in the desert. Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 398. 911—917.

31. Kostik R. I. (1982). Damping constant and turbulence in the solar atmosphere. Solar Phys. 78. 39—57.

32. Kupka F., Piskunov N., Ryabchikova T. A., Stempels H. C., Weiss W. W. (1999). VALD-2: Progress of the Vienna Atomic Line Data Base. Astron. and Astrophys. Suppl. 138. 119—133.

33. Kurucz R. L. (1970). Atlas: a computer program for calculating model stellar atmospheres. SAO Special Report N309, Cambridge, 292 p.

34. Melendez J., Barbuy B. (2009). Both accurate and precise gf-values for Fe II lines. Astron. and Astrophys. 497. 611—617.

35. Neves V., Santos N. C., Sousa S. G., Correia A. C. M., Israelian G. (2009). Chemical abundances of 451 stars from the HARPS GTO planet search program. Thin disc, thick disc, and planets. Astron. and Astrophys. 497. 563—581.

36. Nissen P. E. (1981). Metal abundance and microturbulence in F0-G2 stars and the calibration of the Stromgren m1 index. Astron. and Astrophys. 97. 145—156.

37. Pavlenko Y. V., Kaminsky B. M., Jenkins J. S. Ivanyuk O. M., Jones H. R. A., Lyubchik Y. P. (2019). Masses, Oxygen and Carbon abundances in CHEPS dwarf stars. Astron. and Astrophys. 621. Id. A112. 13 p.

38. Saar S. H., Osten R. A. (1997). Rotation, turbulence and evidence for magnetic fields in southern dwarfs. Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 284. 803—810.

39. Scott P., Asplund M., Grevesse N., Bergemann M., Sauval A. J. (2015). The elemental composition of the Sun. II. The iron group elements Sc to Ni. Astron. and Astrophys. 537. Id. A26, 33 p.

40. Sheminova V. A. (2017). Fourier analysis of spectra of solar-type stars. Kinematics Phys. Celest. Bodies. 33. 217—230.

41. Sheminova V. A., Gadun A. S. (1998). Fourier analysis of Fe I lines in the spectra of the Sun, alpha Centauri A, Procyon, Arcturus, and Canopus. Kinematics Phys. Celest. Bodies. 14. N 3. 169—179.

42. Smith M. A. (1976). Applications of Fourier analysis to broadening of stellar line profiles. IV. A technique for separating macroturbulence from rotation in solar-type stars. Astrophys. J. 208. 487—499.

43. Smith M. A. (1978). An anticorrelation between macroturbulence and age in G stars near the main sequence. Astrophys. J. 224. 584—594.

44. Smith M. (1979). A Rotational studies of lower main-sequence stars. Publ. Astron. Soc. Pacif. 91. 737—745.

45. Sousa S. G., Santos N. C., Israelian G., Lovis C., Mayor M., Lo Curto G., Udry S. (2011). Spectroscopic stellar parameters for 582 FGK stars in the HARPS volume-limited sample. Revising the metallicity-planet correlation. Astron. and Astrophys. 533. Id. A141. 9 p.

46. Takeda Y. (1995). Analyses of line profiles in the solar flux spectrum for determining rotation and micro/macro turbulence. Publ. Astron. Soc. Jap. 47. 337—354.

47. Takeda Y., UeNo S. (2017). Does the radial-tangential macroturbulence model adequately describe the spectral line broadening of solar-type stars? Publ. Astron. Soc. Jap. 69. Id. 46. 25 p.

48. Valenti J. A., Fischer D. A. (2005). Spectroscopic Properties of Cool Stars (SPOCS). I. 1040 F, G, and K Dwarfs from Keck, Lick, and AAT Planet Search Programs. Astrophys. J. Suppl. 159. 141—166.