Конвективні зміщення ліній у спектрах зірок сонячного типу

1Шемінова, ВА
1Головна астрономічна обсерваторія Національної академії наук України, Київ, Україна
Kinemat. fiz. nebesnyh tel (Online) 2022, 38(2):39-62
Start Page: Фізика зір і міжзоряного середовища
Мова: українська
Анотація: 

У роботі вимірюються допплерівські зміщення ліній у спектрах Сонця і зірок з ефективними температурами від 4800 до 6200 К та оцінюються середні конвективні (грануляційні) швидкості. Абсолютну шкалу зміщень для зірок було встановлено на основі отриманої залеж-ності зміщень сонячних ліній від оптичної глибини. Для FGK-зірок сонячного типу вперше отримано криві залежностей конвективних швидкостей від висоти в атмосфері для великого діапазону висот від 150 до 700 км. Всі криві вказують на зменшення блакитних зміщень з висотою, що означає уповільнення грануляційних швидкостей через фотосферу до нуля. У нижній хромосфері спостерігаються червоні зсуви сильних ліній Mg I, які свідчать про зміну напряму грануляційних швидкостей на протилежний і підтверджують ефекти оберненої грануляції на висотах вище 600 км. У більш холодних К-зірках грануляційні зміщення змінюються з висотою в середньому від –150 до 100 м/с, а у гарячих FG-зірках вони змінюються більш різко: від –700 до 300 м/с. Градієнт кривих зміщень збільшується зі збільшенням ефективної температури, зменшенням гравітації, металічності та віку зірки. Середня по всіх аналізованих висотах конвективна швидкість зірки збільшується від –90 до –560 м/с від холодніших до гаря-чіших зірок. Вона корелює з макротурбулентністю, асиметрією спектральних ліній і швидкістю обертання зірки. Ми також отримали променеві швидкості досліджуваних зірок і порівняли їх з даними SIMBAD. Були виявлені великі відхилення –21050 і 1775 м/с для зірок HD 102361 і HD 42936 відповідно. Для інших зірок відхилення не перевищує ±0.340 км/с, яке ймовірно пов’язане з використанням в даних SIMBAD середньої грануляційної швидкості –300 м/с. Як показав наш аналіз, середня конвективна швидкість не однакова для зірок сонячного типу. Вона менша (більша) для зірок, холодніших (гарячі- ших), ніж Сонце, тому у визначеннях променевих швидкостей необхідно враховувати індивідуальні конвективні швидкості зірок.

Ключові слова: грануляція, зірки сонячного типу, зміщення ліній, конвективні швидкості, променеві швидкості
References: 

1. C. Allende Prieto and R. J. García López, “Fe I line shifts in the optical spectrum of the Sun,” Astron. Astrophys. 129, 129–364 (1998).
https://doi.org/10.1051/aas:1998173

2. C. Allende Prieto, D. L. Lambert, and R. G. Tull, “Convective wavelength shifts in the spectra of late-type stars,” Astrophys. J., Lett. 566, L93–L96 (2002).
https://doi.org/10.1086/339658

3. C. Allende Prieto, L. Koesterke, H.-G. Ludwig, et al., “Convective line shifts for the Gaia RVS from the CIF-IST 3D model atmosphere grid,” Astron. Astrophys. 550, A103 (2013).
https://doi.org/10.1051/0004-6361/201220064

4. M. Asplund, A. Nordlund, R. Trampedach, et al., “Line formation in solar granulation. I. Fe line shapes, shifts and asymmetries,” Astron. Astrophys. 359, 729–742 (2000).

5. H. Balthasar, “Asymmetries and wavelengths of solar spectral lines and the solar rotation determined from Fourier-transform spectra,” Sol. Phys. 93, 219–241 (1984).
https://doi.org/10.1007/BF02270836

6. O. A. Baran and M. I. Stodilka, “Convection structure in the solar photosphere at granulation and mesogranulation scales,” Kinematics Phys. Celestial Bodies 31, 65–72 (2015).
https://doi.org/10.3103/S0884591315020026

7. B. Beeck, R. H. Cameron, A. Reiners, et al., “Three-dimensional simulations of near-surface convection in main-sequence stars. II. Properties of granulation and spectral lines,” Astron. Astrophys. 558, A49 (2013).
https://doi.org/10.1051/0004-6361/201321345

8. P. N. Brandt, A. S. Gadun, and V. A. Sheminova, “Absolute shifts of Fe I and Fe II lines in solar active regions (disk center),” Kinematics Phys. Celestial Bodies 13, 65–74 (1997).

9. P. N. Brandt and S. K. Solanki, “Solar line asymmetries and the magnetic filling factor,” Astron. Astrophys. 231, 221–234 (1990).

10. A. Chiavassa, “Measuring granulation during planet transits,” in Proc. CHEOPS 5th Science Workshop, Schloss Seggau, Austria, July 24–26, 2017, paper no. 15. http://geco.oeaw.ac.at/cheops-workshop-05.html.

11. D. Dravins, “Stellar granulation. II. Stellar photospheric line asymmetries,” Astron. Astrophys. 172, 211–224 (1987).

12. D. Dravins, Stellar Granulation (Astronomical Society of the Pacific, San Francisco, Cal., 1990), p. 27.

13. D. Dravins, “Observing, modeling, and understanding stellar granulation,” in Solar Photosphere: Structure, Convection, and Magnetic Fields: Proc. 138th Symp. of the Int. Astronomical Union, Kiev, USSR, May 15–20, 1989, Ed. by J. O. Stenflo (Kluwer, Dordrecht, 1990), pp. 397–415.
https://doi.org/10.1017/S0074180900044405

14. D. Dravins, “Stellar surface convection, line asymmetries, and wavelength shifts,” in Proc. 170th IAU Colloquium, Victoria, B.C., Canada, June 21–26, 1998, Ed. by J. B. Hearnshaw and C. D. Scarfe (Astronomical Society of the Pacific, San Francisco, Calif., 1999), in Ser.: ASP Conference Series, Vol. 185, pp. 268–277.
https://doi.org/10.1017/S0252921100048661

15. D. Dravins, “"Ultimate” information content in solar and stellar spectra. Photospheric line asymmetries and wavelength shifts,” Astron. Astrophys. 492, 199–213 (2008).
https://doi.org/10.1051/0004-6361:200810481

16. D. Dravins, L. Lindegren, and A. Nordlund, “Solar granulation — Influence of convection on spectral line asymmetries and wavelength shifts,” Astron. Astrophys. 96, 345–364 (1981).

17. D. Dravins, L. Lindegren, H.-G. Ludwig, and S. Madsen, “Wavelength shifts in solar-type spectra,” in Proc. 13th Cambridge Workshop on Cool Stars, Stellar Systems and the Sun, Hamburg, Germany, July 5–9, 2004, Ed. by F. Favata, G. A. J. Hussain, and B. Battrick (European Space Agency, Noordwijk, 2005), pp. 113–119.

18. J. R. Fuhr and Wiese W. L. A, “A critical compilation of atomic transition probabilities for neutral and singly ionized iron,” J. Phys. Chem. Ref. Data 35, 1669–1809 (2006).
https://doi.org/10.1063/1.2218876

19. O. Espagnet, R. Muller, T. Roudier, et al., “Penetration of the solar granulation into the photosphere: height dependence of intensity and velocity fluctuations,” Astron. Astrophys., Suppl. Ser. 109, 79–108 (1995).

20. Gaia Collaboration, A. G. A. Brown, A. Vallenari, et al., “Gaia Data Release 2 — Summary of the contents and survey properties,” Astron. Astrophys. 616, A1 (2018).
https://doi.org/10.1051/0004-6361/201833051

21. A. S. Gadun and V. A. Sheminova, “SPANSAT: The program for LTE calculations of absorption line profiles in stellar atmospheres,” Preprint ITF-88-87P (Inst. for Theoretical Physics of the Academy of Sciences of USSR, Kiev, 1988).

22. D. F. Gray, “Observations of spectral line asymmetries and convective velocities in F, G, and K stars,” Astrophys. J. 255, 200–209 (1982).
https://doi.org/10.1086/159818

23. D. F. Gray and C. G. Toner, “The remarkable spectral line asymmetries of F and G Ib supergiant stars,” Astrophys. J. 98, 499–503 (1986).
https://doi.org/10.1086/131784

24. D. F. Gray, “The third signature of stellar granulation,” Astrophys. J. 697, 1032–1043 (2009).
https://doi.org/10.1088/0004-637X/697/2/1032

25. D. F. Gray, “Empirical decoding of the shapes of spectral-line bisectors,” Astrophys. J. 710, 1003–1008 (2010).
https://doi.org/10.1088/0004-637X/710/2/1003

26. D. F. Gray, “An explanation of reversed spectral-line bisectors,” Astrophys. J. 721, 670–674 (2010).
https://doi.org/10.1088/0004-637X/721/1/670

27. D. F. Gray, “A solar-flux line-broadening analysis,” Astrophys. J. 857, 139 (2018).
https://doi.org/10.3847/1538-4357/aab8f2

28. D. F. Gray, S. L. Baliunas, G. W. Lockwood, Skiff, and B. A., “The activity cycle of Sigma Draconis,” Astrophys. J. 400, 681–691 (1992).
https://doi.org/10.1086/172030

29. D. F. Gray, S. L. Baliunas, G. W. Lockwood, and B. A. Skiff, “Magnetic, photometric, temperature, and granulation variations of XI Bootis A 1984–1993,” Astrophys. J. 465, 945–950 (1996).
https://doi.org/10.1086/177478

30. D. F. Gray and T. Pugh, “The third signature of granulation in bright-giant and supergiant stars,” Astrophys. J. 143, 92 (2012).
https://doi.org/10.1088/0004-6256/143/4/92

31. E. A. Gurtovenko and V. A. Sheminova, “Formation depths of Fraunhofer lines,” (2015). arXiv 1505.00975

32. E. Gurtovenko, V. Ratnikova, and C. de Jager, “On the average optical depth of formation of weak Fraunhofer lines,” Sol. Phys. 37, 43–52 (1974).
https://doi.org/10.1007/BF00157842

33. B. Gustafsson, B. Edvardsson, K. Eriksson, U. G. Jorgensen, A. Nordlund, and B. Plez, “A grid of MARCS model atmospheres for late-type stars. I. Methods and general properties,” Astron. Astrophys. 486, 951–970 (2008).
https://doi.org/10.1051/0004-6361:200809724

34. D. Gullberg and L. Lindegren, “Determination of accurate stellar radial-velocity measures,” Astron. Astrophys. 390, 383–395 (2002).
https://doi.org/10.1051/0004-6361:20020660

35. D. Hamilton and J. B. Lester, “A technique for the study of stellar convection: The visible solar flux spectrum,” Publ. Astron. Soc. Pac. 111, 1132–1143 (1999).
https://doi.org/10.1086/316421

36. K. Hinkle and L. Wallace, “The spectrum of Arcturus from the infrared through the ultraviolet,” in Cosmic Abundances As Records of Stellar Evolution and Nucleosynthesis in Honor of David L. Lambert: Proc. Int. Symp., Austin, Tex., June 17–19. 2004, Ed. by T. G. Barnes and F. N. Bash (Astronomical Society of the Pacific, San Francisco, Calif., 2005), in Ser.: Astronomical Society of the Pacific Conference Series, Vol. 336.

37. O. M. Ivanyuk, J. S. Jenkins, Ya. V. Pavlenko, H. R. A. Jones, and D. J. Pinfield, “The metal-rich abundance pattern — Spectroscopic properties and abundances for 107 main-sequence stars,” Mon. Not. R. Astron. Soc. 468, 4151–4169 (2017).
https://doi.org/10.1093/mnras/stx647

38. J. S. Jenkins, H. R. A. Jones, and K. Gozdziewski, “First results from the Calan–Hertfordshire Extrasolar Planet Search: Exoplanets and the discovery of an eccentric brown dwarf in the desert,” Mon. Not. R. Astron. Soc. 398, 911–917 (2009).
https://doi.org/10.1111/j.1365-2966.2009.15097.x

39. S. L. Keil, “The structure of solar granulation. I — Observations of the spatial and temporal behavior of vertical motions. II — Models of vertical motion,” Astrophys. J. 237, 1024–1042 (1980).
https://doi.org/10.1086/157948

40. R. Kostik, E. Khomenko, and N. G. Shchukina, “Solar granulation from photosphere to low chromosphere observed in Ba II 4554 Å line,” Astron. Astrophys. 506, 1405–1414 (2009).
https://doi.org/10.1051/0004-6361/200912441

41. R. L. Kurucz, I. Furenlid, J. Brault, et al., “Solar flux atlas from 296 to 1300 nm,” in National Solar Observatory Atlas (National Solar Observatory, Sunspot, N.M., 1984).

42. J. D. Landstreet, “Detection of atmospheric velocity fields in A-type stars,” Mon. Not. R. Astron. Soc. 338, 1041–1056 (1998).

43. J. D. Landstreet, “Observing convection in stellar atmospheres,” in Convection in Astrophysics: Proc. 239th IAU Symp., Prague, Czech Republic, Aug. 21–25, 2006, Ed. by F. Kupka, I. Roxburgh, and K. Chan (Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2007), pp. 103–112.
https://doi.org/10.1017/S1743921307000245

44. L. Lindegren, D. Dravins, and S. Madsen, “Exactly what is stellar ‘radial velocity’?,” in Precise Stellar Radial Velocities: Proc. 170th IAU Colloquium, Ed. by J. B. Hearnshaw and C. D. Scarfe (Astronomical Society of the Pacific, San Francisco, Calif., 1999), in Ser.: ASP Conference Series, Vol. 185, pp. 73–76.
https://doi.org/10.1017/S0252921100048387

45. W. C. Livingston, “Magnetic fields and convection — New observations,” in Solar and Stellar Magnetic Fields: Origins and Coronal Effects: Proc. Symp., Zurich, Switzerland, Aug. 2–6, 1982 (Reidel, Dordrecht, 1983), pp. 149-153.
https://doi.org/10.1007/978-94-009-7181-3_14

46. P. Molaro, M. Esposito, and S. Monai, “A frequency comb calibrated solar atlas,” Astron. Astrophys. 560, A61 (2013).
https://doi.org/10.1051/0004-6361/201322324

47. N. Meunier, A.-M. Lagrange, L. Mbemba Kabuiku, et al., “Variability of stellar granulation and convective blueshift with spectral type and magnetic activity. I. K and G main sequence stars,” Astron. Astrophys. 597, A52 (2017).
https://doi.org/10.1051/0004-6361/201629052

48. N. Meunier, L. Mignon, and A.-M. Lagrange, “Variability in stellar granulation and convective blueshift with spectral type and magnetic activity. II. From young to old main-sequence K-G-F stars,” Astron. Astrophys. 607, A124 (2017).
https://doi.org/10.1051/0004-6361/201731017

49. D. Nadeau and J. Bedard, “Line shifts in the infrared spectra of late-type stars,” in Solar and Stellar Granulation: Proc. 3rd Int. Workshop of the Astronomical Observatory of Capodimonte (OAC 3) and the NATO Advanced Research Workshop on Solar and Stellar Granulation, Capri, Italy, June 21–25, 1989, Ed. by R. J. Rutten and G. Severino (Kluwer, Dordrecht, 1989), in Ser.: NATO Advanced Science Institutes (ASI) Series C, Vol. 263, p. 125.
https://doi.org/10.1007/978-94-009-0911-3_16

50. D. Nadeau and J.-P. Maillard, “Observational evidence of line shifts induced by the convective overshoot in the atmosphere of red giants,” Astrophys. J. 327, 321–327 (1988).
https://doi.org/10.1086/166192

51. G. Nave, S. Johansson, R. C. M. Learner, et al., “A new multiplet table for Fe I,” Astrophys. J., Suppl. 94, 221–459 (1994).
https://doi.org/10.1086/192079

52. V. Neves, N. C. Santos, S. G. Sousa, A. C. M. Correia, and G. Israelian, “Chemical abundances of 451 stars from the HARPS GTO planet search program. Thin disc, thick disc, and planets,” Astron. Astrophys. 497, 563–581 (2009).
https://doi.org/10.1051/0004-6361/200811328

53. Nidever, D. L., G. W. Marcy, R. P. Butler, et al., “Radial velocities for 889 late-type stars,” Astrophys. J., Suppl. 141, 503–522 (2002).
https://doi.org/10.1086/340570

54. Y. V. Pavlenko, B. M. Kaminsky, J. S. Jenkins, O. M. Ivanyuk, H. R. A. Jones, and Y. P. Lyubchik, “Oxygen and carbon abundances in CHEPS dwarf stars,” Astron. Astrophys. 621, A112 (2019).
https://doi.org/10.1051/0004-6361/201834138

55. L. Pasquini, C. Melo, C. Chavero, et al., “Gravitational redshifts in main-sequence and giant stars,” Astron. Astrophys. 526, A127 (2011).
https://doi.org/10.1051/0004-6361/201015337

56. A. K. Pierce and J. C. Lopresto, “Wavelength shifts in the solar photospheric spectrum,” Sol. Phys. 196, 41–51 (2000).
https://doi.org/10.1023/A:1005276127343

57. K. G. Puschmann, B. Ruiz Cobo, M. Vazquez, et al., “Time series of high resolution photospheric spectra in a quiet region of the Sun. II. Analysis of the variation of physical quantities of granular structures,” Astron. Astrophys. 441, 1157–1169 (2005).
https://doi.org/10.1051/0004-6361:20047193

58. I. Ramirez, C. Allende Prieto, and D. L. Lambert, “Granulation in K-type dwarf stars. I. Spectroscopic observations,” Astron. Astrophys. 492, 841–855 (2008).
https://doi.org/10.1051/0004-6361:200810901

59. I. Ramirez, C. Allende Prieto, L. Koesterke, et al., “Granulation in K-type dwarf stars. II. Hydrodynamic simulations and 3D spectrum synthesis,” Astron. Astrophys. 501, 1087–1101 (2009).
https://doi.org/10.1051/0004-6361/200911741

60. I. Ramirez, R. Collet, D. L. Lambert, et al., “Granulation signatures in the spectrum of the very metal-poor red giant HD 122563,” Astrophys. J., Lett. 725, L223–L227 (2010).
https://doi.org/10.1088/2041-8205/725/2/L223

61. A. Reiners, N. Mrotzek, U. Lemke, et al., “The IAG solar flux atlas: Accurate wavelengths and absolute convective blueshift in standard solar spectra,” Astron. Astrophys. 587, A65 (2016).
https://doi.org/10.1051/0004-6361/201527530

62. R. J. Rutten, J. Leenaarts, L. H. M. Rouppe van der Voort, et al., “Quiet-Sun imaging asymmetries in Na I D1 compared with other strong Fraunhofer lines,” Astron. Astrophys. 531, A17 (2011).
https://doi.org/10.1051/0004-6361/201116984

63. V. A. Sheminova, “Asymmetry of lines in the spectra of the Sun and solar-type stars,” Kinematics Phys. Celestial Bodies 36, 291–305 (2020).
https://doi.org/10.3103/S0884591320060057

64. V. A. Sheminova, “Turbulence and rotation in solar-type stars,” Kinematics Phys. Celestial Bodies 35, 129–142 (2019).
https://doi.org/10.3103/S088459131903005X

65. R. F. Stein and A. Nordlund, “Simulations of solar granulation. I. General properties,” Astrophys. J. 499, 914–933 (1998).
https://doi.org/10.1086/305678

66. L. Wallace, Y. R. Huang, and W. Livingston, “The Sun as a star: On wavelength stability,” Astrophys. J. 327, 399–404 (1988).
https://doi.org/10.1086/166202

67. L. Wallace, “An optical and near-infrared (2958–9250 A) solar flux atlas,” Astrophys. J., Suppl. 195, 6 (2011).
https://doi.org/10.1088/0067-0049/195/1/6