Manifestationen von Tiefenkonvektion in stellarer Photometrie

Konvektion ist der Hauptunsicherheitsfaktor in der Modellierung von Sternen und einer der Treiber der stellaren Variabilität. Leider sind die Theorien der turbulenten Konvektion bei weitem nicht perfekt. Zum Beispiel gibt es erhebliche Unterschiede in den angenommenen Werten von wichtigen Parametern, wie die Länge der Mischung und die Umkehrzeit. Insbesondere werden die Messungen der Umkehrzeit üblicherweise kalibriert unter Verwendung von Berechnungen für die Sonne mit der "mixing length"-Theorie (MLT). Die MLT ist ein üblicher aber nur vage begründeter Bestandteil in den meisten modernen Modellen der Struktur und Entwicklung von Sternen. MLT stellt eine extreme Vereinfachung des tatsächlichen physikalischen Prozesses der Konvektion dar. Das breite Spektrum der Größen von turbulenten Wirbeln wird durch große Wirbel gleicher Größe ersetzt. Die Bestätigung von solchen riesigen Konvektionszellen könnte eine Erklärung des Erfolgs der MLT in der stellaren Modellierung sein. In jedem Fall wird ein neuer Ansatz für die Messung der MLT-unabhängigen Umkehrzeit benötigt. Die Ausarbeitung eines solchen Ansatzes ist ein Thema dieses Projektes. Die Weltraumobservatorien Kepler, CoRoT und MOST haben eine Vielzahl an stellaren photometrischen Messungen ergeben, welche verarbeitet und analysiert werden müssen. Die Extraktion der verborgenen Informationen über stellare Konvektion wird das Verständnis der Physik der Sterne, von ihrem Inneren und ihrer Aktivität erleichtern, aber auch der Rolle der solaren Konvektionszone in der Modulation der solar-terrestrischen Beziehungen. Das Ziel dieses Projektes ist die Suche und Analyse der Auswirkungen der Konvektion in tiefen Schichten der Sterne mit der integrierten Photometrie von Hauptreihensternen. Zu diesem Zweck werden die Lichtkurven von Sternen aus den Archiven der orbitalen Observatorien (MOST, CoRoT, Kepler) verarbeitet. "Fingerabdrücke" der Tiefenkonvektion wurden kürzlich in einem großflächigen Muster und der Dynamik der Oberflächenaktivität der Sonne gefunden (zB Arkhypov et al, Sol Phys, 2011, 270, 1; 2012, 278, 285). Deshalb wird die Sonne benutzt, um unser Spektral-Autokorrelations-Methode zur Extraktion der Informationen über Tiefenkonvektion aus den Daten der stellaren integralen Breitband-Photometrie anzupassen. Nach der Bearbeitung einer großen Anzahl von Lichtkurven von Sternen, planen wir folgendes zu erhalten: experimentellen Beweis von großflächigen Turbulenzen in Sternen, Nachweis von Überriesen-Konvektionszellen in Roten Zwerge; Massenmessungen der Umkehrzeiten für verschiedene Skalen unabhängig von der Mixing-length Theorie, usw. Die erhaltenen Ergebnisse können in verschiedenen Bereichen der Astrophysik und Weltraumforschung eingesetzt werden: von der Modellierung der Sterne und stellaren Aktivität bis zu Space Weather-Vorhersagen.

Das Ziel dieses Projektes ist die Suche und Analyse von Plasmaeffekten (Konvektion) in tiefen Sterninneren. Diese konventionelle Mischung kontrolliert Sternaktivität und Strahlung sowie die Radius- und Oberflächentemperatur eines Sterns und beeinflusst somit die Bewohnbarkeit und die Entwicklung der nahegelegenen Planeten. Unglücklicherweise ist die tiefe Sternenkonvektion für die direkte instrumentelle Sondierung (auch bei asteroseismologischen Methoden) unzugänglich. Gleichzeitig konnte während dieses Projektes feststellt werden, dass das Muster der stellaren Oberflächenaktivität als eine Art "Anzeige" für die internen stellaren Plasmabewegungen verwendet werden kann. In Anbetracht der Tatsache, dass die stellare Aktivität Resultat einer magnetischen Röhrenemission ist, die durch Plasmaströme in der Sternkonvektionszone beeinflusst wird, sollte sich die tiefe Konvektion im Oberflächenmuster der Sternpunkte manifestieren. Die Sternpunkte, die mit dem Stern rotieren, modulieren den Strahlungsfluss, der einen Abdruck der longitudinalen Verteilung der Sternaktivität, und damit auch der tiefen Konvektionsströmungen mit sich trägt. Dieser Logik folgend konzentriert sich das Projekt auf die Analyse von Rotationsvariationen von Lichtkurven von 1998 verschiedenen Hauptreihe-Sternen, die vom Kepler Weltraumobservatorium aus beobachtet wurden. Eine Reihe einzigartiger Algorithmen wurde entwickelt, um über die versteckten Informationen von Struktur und Dynamik des Oberflächenaktivitätsmusters in diesen Sternen Kenntnis zu erhalten. Als ein Hauptergebnis wurden die "Fingerabdrücke" von riesigen Turbulenzen in der Oberflächenverteilung des stellaren Aktivitätsmusters entdeckt. Da die Anzeichen analoger globaler Turbulenzen nicht direkt an der Sonnenoberfläche beobachtet wurden, sollte dies ein Attribut der tiefen Konvektion sein.Ein weiteres grundlegendes Ergebnis des Projekts besteht in der Ermittlung der nicht-turbulenten (laminaren) Komponente der stellaren Tiefenkonvektion. Diese Art des konventionellen Mischens wird in Form von statistisch identischen konvektiven Zellen realisiert, wie sie in der konventionellen "Mischlängen-Theorie" (MLT) üblich ist, welche weit verbreitet in der modernen Astrophysik und der Planetenwissenschaft ist. Die allgemeine Anwendbarkeit von MLT auf die turbulente Sternenkonvektion wurde jedoch verständlicherweise kritisiert, obwohl sie akzeptable Ergebnisse bei der Modellierung von Sternen liefert. Die Projektstudie beleuchtet dieses Paradox. Es hat sich gezeigt, dass die "Umdrehzeit" einer Standardzelle in MLT tatsächlich ein Beispiel der gemessenen Zeitskala ist, die der laminaren Konvektion entspricht.Zu den weiteren wertvollen astrophysikalischen Entdeckungen des Projekts gehören die Abschätzung der Lebensdauer von Aktivitätskomplexen; Erkennung der kurzen Zyklen der Sternaktivität (Perioden < 1000 Tage) die unbekanntes Verhalten in Bezug auf stellare Parameter zeigen; Untersuchung der Zeitskalen der stellaren Variabilität und Einführung neuer Aktivitätsindizes, usw.Neben der Astrophysik und Astrobiologie sind die Projektergebnisse von Interesse und potentiellem Nutzen in der Ausbildung, der Populärwissenschaft, der Planetenwissenschaft, dem Weltraumwetter und der Planung zukünftiger Weltraummissionen.