Robotic telescopes & Doppler imaging [Elektronische Ressource] : measuring differential rotation on long-period active stars / Michael Weber
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AstrophysikalischesInstitutPotsdamStellarActivityGroupAnderSternwarte16D 14482PotsdamROBOTIC TELESCOPES&DOPPLER IMAGINGMeasuringdifferentialrotationonlong periodactivestarsDissertationzurErlangungdesakademischenGrades„Doctorrerumnaturalium“(Dr. rer. nat.)eingereichtanderMathematisch NaturwissenschaftlichenFakultätderUniversitätPotsdamvonMichaelWeberPotsdam,den13. August2004EsistnichtallesSchwindel,aberdasmeiste.FontaneEverythingyouknowiswrong.ChumbawambaAbstractThe sun shows a wide variety of magnetic activity related phenomena. The mag neticfieldresponsibleforthisisgeneratedbyadynamoprocesswhichisbelievedtooperateinthetachocline,whichislocatedatthebottomoftheconvectionzone.This dynamo is driven in part by differential rotation and in part by magneticturbulences in the convection zone. The surface differential rotation, one key in gredientofdynamotheory,canbemeasuredbytracingsunspotpositions.To extend the parameter space for dynamo theories, one can extend these mea surements to other stars than the sun. The primary obstacle in this endeavor isthe lack of resolved surface images on other stars. This can be overcome by theDoppler imaging technique, which uses the rotation induced Doppler broadeningof spectral lines to compute the surface distribution of a physical parameter liketemperature. To obtain the surface image of a star, high resolution spectroscopicobservations, evenly distributed over one stellar rotation period are needed.

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Publié le 01 janvier 2004
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AstrophysikalischesInstitutPotsdam
StellarActivityGroup
AnderSternwarte16
D 14482Potsdam
ROBOTIC TELESCOPES
&
DOPPLER IMAGING
Measuringdifferentialrotationonlong period
activestars
Dissertation
zurErlangungdesakademischenGrades
„Doctorrerumnaturalium“
(Dr. rer. nat.)
eingereichtander
Mathematisch NaturwissenschaftlichenFakultät
derUniversitätPotsdam
von
MichaelWeber
Potsdam,den13. August2004EsistnichtallesSchwindel,
aberdasmeiste.
Fontane
Everythingyouknowiswrong.
ChumbawambaAbstract
The sun shows a wide variety of magnetic activity related phenomena. The mag
neticfieldresponsibleforthisisgeneratedbyadynamoprocesswhichisbelieved
tooperateinthetachocline,whichislocatedatthebottomoftheconvectionzone.
This dynamo is driven in part by differential rotation and in part by magnetic
turbulences in the convection zone. The surface differential rotation, one key in
gredientofdynamotheory,canbemeasuredbytracingsunspotpositions.
To extend the parameter space for dynamo theories, one can extend these mea
surements to other stars than the sun. The primary obstacle in this endeavor is
the lack of resolved surface images on other stars. This can be overcome by the
Doppler imaging technique, which uses the rotation induced Doppler broadening
of spectral lines to compute the surface distribution of a physical parameter like
temperature. To obtain the surface image of a star, high resolution spectroscopic
observations, evenly distributed over one stellar rotation period are needed. This
turns out to be quite complicated for long period stars. The upcoming robotic ob
servatory STELLA addresses this problem with a dedicated scheduling routine,
which is tailored for Doppler imaging targets. This will make observations for
Dopplerimagingnotonlyeasier,butalsomoreefficient.
AsapreviewofwhatcanbedonewithSTELLA,wepresentresultsofaDoppler
imaging study of seven stars, all of which show evidence for differential rotation,
but unfortunately the errors are of the same order of magnitude as the mea
surements due to unsatisfactory data quality, something that will not happen
on STELLA. Both, cross correlation analysis and the sheared image technique
where used to double check the results if possible. For four of these stars, weak
anti solar differential rotation was found in a sense that the pole rotates faster
thantheequator( < 0),fortheotherthreestarsweakdifferentialrotationinthe
samedirectionasonthesunwasfound( >).
Finally, these new measurements along with other published measurements of
differential rotation using Doppler imaging, were analyzed for correlations with
stellar evolution, binarity, and rotation period. The total sample of stars show
a significant correlation of || with rotation period, but if separated into anti
solar and solar type behavior, only the subsample showing anti solar differential
rotation shows this correlation. Additionally, there is evidence for binary stars
showing less differential rotation as single stars, as is suggested by theory. All
other parameter combinations fail to deliver any results due to the still small
sampleofstarsavailable.Wissenschaftliche Zusammenfassung
Auf der Sonne sind viele Phänomene zu sehen die mit der solaren magnetischen
Aktivität zusammenhängen. Das dafür zuständige Magnetfeld wird durch einen
Dynamo erzeugt, der sich vermutlich am Boden der Konvektionszone in der so
genannten “Tachocline” befindet. Angetrieben wird der Dynamo teils von der dif
ferenziellenRotation,teilsvondenmagnetischenTurbulenzeninderKonvektion
szone. DiedifferentielleRotationkannanderSonnenoberflächedurchbeobachten
derSonnenfleckbewegungengemessenwerden.
UmeinengrößerenParameterraumzumTestenvonDynamotheorienzuerhal
ten,kannmandieseMessungenauchaufandereSterneausdehnen. Dasprimäre
Problem dabei ist, dass die Oberflächen von Sternen nicht direkt beobachtet wer-
den können. Indirekt kann man dies jedoch mit Hilfe der Doppler imaging Meth
odeerreichen,diedieDoppler VerbreitungderSpektrallinienvonschnellrotieren
den Sternen benützt. Um jedoch ein Bild der Sternoberfläche zu erhalten, bedarf
esvielerhochaufgelösterspektroskopischerBeobachtungen,diegleichmäßigüber
eine Sternrotation verteilt sein müssen. Für Sterne mit langen Rotationsperio
densinddieseBeobachtungennurschwierigdurchzuführen. Dasneuerobotische
Observatorium STELLA adressiert dieses Problem und bietet eine auf Doppler-
imaging abgestimmte Ablaufplanung der Beobachtungen an. Dies wird solche
Beobachtungen nicht nur leichter durchführbar machen, sondern auch effektiver
gestalten.
Als Vorschau welche Ergebnisse mit STELLA erwartet werden können dient
eine Studie an sieben Sternen die allesamt eine lange (zwischen sieben und 25
Tagen)Rotationsperiode haben. AlleSternezeigendifferentielle Rotation, allerd
ings sind die Messfehler aufgrund der nicht zufriedenstellenden Datenqualität
von gleicher Größenordnung wie die Ergebnisse, ein Problem das bei STELLA
nicht auftreten wird. Um die Konsistenz der Ergebnisse zu prüfen wurde wenn
möglich sowohl eine Kreuzkorrelationsanalyse als auch die sheared image Meth
odeangewandt. ViervondiesensiebenSternenweiseneinedifferentielleRotation
inumgekehrterRichtungaufalsaufderSonnezusehenist( < 0). Dierestlichen
drei Sterne weisen schwache, aber in der Richtung sonnenähnliche differentielle
Rotationauf( > 0).
Abschließend werden diese neuen Messungen mit bereits publizierten Werten
kombiniert, und die so erhaltenen Daten auf Korrelationen zwischen differen
tieller Rotation, Rotationsperiode, Evolutionsstaus, Spektraltyp und Vorhanden
seineinesDoppelsternsüberprüft. AlleSternezusammenzeigeneinesignifikante
Korrelation zwischen dem Betrag der differenziellen Rotation und der Rotation
speriode. Unterscheidet man zwischen den Richtungen der differentiellen Rota
tion, so bleibt nur eine Korrelation der Sterne mit negativem . Darüberhinaus
zeigtsichauch,dassDoppelsterneschwächerdifferentiellrotieren.Contents iii
Contents
1. Introduction 1
1.1. Solaractivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.1. Sunspots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2. Plagesandfilaments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.3. Flares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.4. Coronalmassejections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.5. Solarirradiancevariation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2. Stellaractivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1. Rotationalmodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2. Stellaractivitycycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3. Differentialrotationonthesun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.1. Tracermeasurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.2. Spectroscopic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.3. Helioseismology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.4. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4. Solardynamomodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4.1. Mean fieldtheoryofthesolardynamo . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.2.ofrotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2. Doppler Imaging 16
2.1. Theprinciple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2. Prerequisites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.1. Projectedrotationalvelocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.2. Signalstrength&phasesmearing . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.3. Rotationperiod&coverage. . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3. TEMPMAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.1. TEMPMAP modifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3. STELLA 22
3.1. Location . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2. Buildingautomation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2.1. Roll offroofs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2.2. Weatherstations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2.3. Computers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3. Instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.3.1. STELLAéchellespectrograph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.3.2. WidefieldSTELLAimagingphotometer . . . . . . . . . . . . . 28
3.4. Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.4.1. Targetspecification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29iv Contents
3.4.2. Schedulingconstraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.4.3. Datasize&transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4.4. Datareduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.4.5. STELLA,aDopplerimagingmachine . . . . . . . . . . . . . . 33
4. Differential rotation on long period stars 35
4.1. Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4

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