Exploring Millimeter Indicators of Solar-Stellar Activity

Aktiviteten i de ytre lagene av solen og andre stjerner er fortsatt dårlig forstått på grunn av vanskelighetene med å tolke tilgjengelige observasjoner. Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array (ALMA), som er en teleskoparray som ligger høyt i de chilenske Andesfjellene, observerer ved bølgelengder rundt én millimeter som dermed er mye lengre enn for synlig lys. Observasjon ved disse lange bølgelengdene kommer vanligvis til prisen av en mye lavere romlig oppløsning og derav detaljnivået som kan sees. ALMA er et teknologisk sprang fremover og muliggjør nå observasjoner av solen vår med en oppløsning som kommer nær oppløsningen til dagens solteleskoper for synlig lys. En av hovedfordelene er at temperaturen på gassen i de ytre lagene av solen kan utledes mye mer direkte fra ALMA-observasjoner enn fra observasjoner med andre teleskoper. I tillegg kan ALMA-observasjoner av solen avsløre den tredimensjonale strukturen til gassen og til og med magnetfeltet i de ytre lagene. De samme verktøyene kan også brukes på (romlig uløste) observasjoner av andre stjerner. ALMA gir dermed nye måter å observere og til slutt forstå den aktive naturen til Solen og andre stjerner. EMISSA-prosjektet tar sikte på å utnytte ALMAs nye muligheter for en revurdering av aktivitet i stjerner ved å bruke en sammenlignende studie med Solen som en grunnleggende referanse. I den første fasen av EMISSA-prosjektet ble ALMA Science Archive søkt etter passende observasjoner av solen og andre stjerner. Et stort antall romlig oppløste ALMA-observasjoner av hele solen har blitt behandlet og sammenlignet med lignende observasjoner for spektrale indikatorer for solaktivitet (her H alfa og Ca II K). Målet var å finne statistiske korrelasjoner mellom disse indikatorene og temperaturene utledet med ALMA for solen. ALMA-observasjonene av de andre stjernene ble deretter supplert med observasjoner ved radiobølgelengder og i det infrarøde til ultrafiolette området. Den resulterende prøven består av 12 hovedsekvensstjerner og Solen-som-en-stjerne som referanse. Til tross for det relativt lave antallet dekker prøven allerede det relevante området fra varmere (spektraltype A) til kjølige hovedsekvensstjerner (spektraltype M). For disse stjernene ble spektralenergifordelingen over hele bølgelengdeområdet konstruert og sammenlignet med modellatmosfære beregnet med PHOENIX-koden. Siden disse modellene kun inneholder en fotosfære og en fallende temperaturstratifisering ovenfor, indikerer forskjellene mellom observasjonene og disse modellene temperaturene i den øvre atmosfæren til de betraktede stjernene. De innsamlede observasjonene beviser faktisk eksistensen av en varm kromosfære for de kaldere stjernene og mangel på denne for de varmere stjernene i prøven. Prøven demonstrerer potensialet til mm-observasjoner for studiet av stjerneatmosfærer og deres aktivitet. Basert på de nevnte mm kontinuumobservasjonene for stjerner av forskjellige spektraltyper over hovedsekvensen, ble en ny potensiell stjerneaktivitetsindikator designet, som kan gi en robust kvantitativ kartlegging mellom aktiviteten og de fysiske egenskapene til en stjernes atmosfære, spesielt termisk strukturen av kromosfæren. Den resulterende alfa_mm spektralindeksen bruker observasjoner i området 30 - 1000 GHz. En sammenligning av tilsvarende verdier med andre aktivitetsindikatorer for stjerneprøven viser at, til tross for uunngåelige usikkerheter, kan alfa_mm-verdiene skille godt mellom forskjellige kule stjerner der andre indikatorer svikter. En systematisk undersøkelse som utnytter fordelene med denne nye indikatoren krever nye flerfrekvensobservasjoner av et større sett med stjerner. Å søke om mer observasjonstid ved ulike mm- og radioobservasjonsanlegg har derfor vært en integrert del av prosjektvirksomheten. EMISSA-teamet har lykkes med å skaffe mer data og koordinert flere multi-observatoriekampanjer i 2023. Nye resultater fra disse dataene vil bli publisert i 2024. Ved siden av observasjonene ble det produsert og analysert nye numeriske 3D-simuleringer av stjerneatmosfærer for forskjellige spektraltyper og tilsvarende syntetiske mm-observasjoner, noe som gir en første systematisk oversikt over aktiviteten til hovedsekvensstjerner. I tillegg ble detaljerte 3D-simuleringer av solen brukt for beregning av intensitetsdata for viktige spektrallinjer som H alfa og Ca II H og K, som ofte brukes som aktivitetsindikatorer. En kvantitativ sammenligning med tilsvarende mm-intensiteter avslørte sammenhengen mellom disse indikatorene og hvordan mm-observasjoner av Solen og dermed andre stjerner kan brukes til en mer presis og robust karakterisering av de termiske egenskapene og atmosfærisk aktivitet til stjerner generelt. Som en del av prosjektet har 1 Ph.D. og 2 M.Sc. ble forsvart.

Prosjektet bidro til å utvide forskningen på solaktivitet ved UiO utover Sola til andre stjerner. De produserte databasene og metodene legger grunnlaget for fremtidige studier, systematiske observasjonskampanjer og internasjonalt samarbeid. Langsiktig sett vil forskningen bidra til en bedre forståelse av virkningen av sol-/stjerneaktivitet på nærliggende planeter og romvær i vårt solsystem. Det siste har mulige implikasjoner for samfunnet på sikt.

The activity of the Sun and stars remains poorly understood due to the difficulties with interpreting available observable activity indicators. The Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array (ALMA), which is a true leap forward for observations at (sub-)mm wavelengths, now offers a solution in the form of millimeter (mm) radiation based indicators for stellar activity, which are much easier to interpret than commonly used indicators at shorter wavelengths. With a spatial resolution of solar observations close to that of optical solar telescopes, major advantages of the mm wavelength range can be exploited: The mm continuum radiation is an essentially linear measure of the local gas temperature in thin layers in the solar/stellar atmosphere, where the formation height increases with wavelength, thus facilitating measurements of the height-dependent (3D) thermal structure. In addition, ALMA's polarisation measurements will allow for reconstructing the (3D) magnetic field, while recombination and molecular lines (e.g., CO) provide complementary diagnostic tools for the thermal, kinetic and magnetic plasma state of the probed atmospheric gas. The same tools can be applied to (spatially unresolved) observations of stars, while the Sun serves as an important reference. The aim of the EMISSA project is to exploit ALMA's novel capabilities for a re-evaluation of stellar activity by means of a comparative solar-stellar study with the Sun-as-a-star case as a fundamental reference. A sequence of state-of-the-art 3D numerical simulations of stellar atmospheres and corresponding synthetic observables will be used to prepare and interpret simultaneous multi-wavelength observations of the Sun and a selected sample of other stars with ALMA and other observatories. The proposed systematic comparison of mm-based activity indicators and 'classical' indicators promises a new view on stellar activity and the physical processes causing it.