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Simulating the signature of starspots in stellar oscillations

dc.contributor.advisorGizon, Laurent Prof. Dr.
dc.contributor.authorPapini, Emanuele
dc.date.accessioned2016-04-14T08:18:35Z
dc.date.available2016-04-14T08:18:35Z
dc.date.issued2016-04-14
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0028-872F-E
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-5599
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-5599
dc.description.abstractWie seit schon einigen Jahrzehnten bekannt ist, werden akustische Oszillationen durch stellare Aktivität beeinflusst. Die globalen akustischen Moden in der Sonne weisen eine Variation mit dem 11-jährigen Sonnenzyklus auf. Ein ähnliches Phänomen konnte auch in anderen Sternen mit Hilfe von Asteroseismologie nachgewiesen werden. In dieser Arbeit erforsche ich den Einfluss von großen Sternflecken auf globale Oszillationen mit niedrigem Grad ℓ. Als wichtigstes Werkzeug benutze ich hierfür den GLASS Kode, der die Ausbreitung von linearen akustischen Wellen im Sterninneren in 3D simuliert. Zunächst habe ich das Problem der konvektiven Stabilisierung betrachtet, welches bei jedem linearen Oszillationskode im Zeitbereich auftritt. Ich präsentiere eine allgemeine Methode um konvektiv stabile Hintergrundsmodelle für ein vorgegebenes Sternmodell zu erzeugen. Dabei werden wichtige Eigenschaften des ursprünglichen Modells beibehalten, beispielsweise das hydrostatische Gleichgewicht. Ich schlage einen störungstheoretischen Ansatz vor, um das akustische Wellenfeld in dem ursprünglichen instabilen Sternmodell näherungsweise zu erlangen. Tests zeigen, dass für Moden mit niedrigem Grad ℓ und einer Frequenz um 3 mHz die korrigierten Frequenzen mit einer Genauigkeit von 1 μHz mit den exakten Werten übereinstimmen. Zweitens habe ich mit Hilfe des GLASS Kodes den Einfluss einer am Nordpol des Sterns lokalisierten Störung der Schallgeschwindigkeit auf radiale, dipolare und quadrupolare Oszillationsmoden untersucht. Diese Studie zeigt auf, dass die axialsymmetrischen Moden dadurch am stärksten beeinflusst werden und im Falle von großen Sternflecken können ihre Frequenzen nicht mit der linearen Theorie berechnet werden. Die Form der Eigenfunktionen der Moden weicht von reinen Kugelflächenfunktionen ab und werden mit Kugelflächenfunktionen mit unterschiedlichem Grad ℓ vermischt. Dies könnte die korrekte Identifikation der Moden in der spektralen Leistungsdichte beeinflussen. Drittens habe ich den beobachtbaren Einfluss eines großen Sternflecks auf Moden mit Grad ℓ betrachtet. Im Falle einer aktiven Region, die mit dem Stern rotiert (und sich nicht am Pol befindet), ist die Störung nicht stabil, wenn sie in einem Inertialsystem betrachtet wird. Der kombinierte Einfluss von Rotation und Sternfleck veranlasst jede Mode, in der beobachteten spektralen Leistungsdichte als (2ℓ + 1)² Peaks aufzutreten. Die Einhüllende der spektralen Leistungsdichte eines Multipletts ist also komplex und hängt von dem Breitengrad ab, wo sich die aktive Region befindet, und vom Inklinationswinkel des Sterns. Ich berechne die spektrale Leistungsdichte für einige Beispiele sowohl mit Störungstheorie als auch mit Hilfe von GLASS. Diese Arbeit soll dazu beitragen, die spektrale Leistungsdichte von oszillierenden Sternen, die Sternflecken aufweisen, zu interpretieren.de
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subject.ddc530de
dc.titleSimulating the signature of starspots in stellar oscillationsde
dc.typedoctoralThesisde
dc.contributor.refereeReiners, Ansgar Prof. Dr.
dc.date.examination2015-07-28
dc.subject.gokPhysik (PPN621336750)de
dc.description.abstractengIt has been known for a few decades that acoustic oscillations are affected by stellar activity. In the case of the Sun global acoustic modes show a variation with the 11-year cycle and a similar phenomenon has been observed in other stars with asteroseismology. In this work I investigate the effects of large starspots on the global low-degree modes of stellar oscillations. I use the GLASS code to simulate the propagation of small amplitude acoustic waves in 3D stellar interiors. Firstly, I consider the problem of convective stabilization, common to every linear oscillation code in the time domain. A general method to build a convectively stable background starting from a given stellar model is presented. Important properties of the original model, such as hydrostatic equilibrium, are preserved by the method. A perturbative approach to approximately recover the acoustic wavefield in the original unstable stellar model is proposed. Tests show that the corrected frequencies are within 1 μHz of the exact values for low-degree modes near 3 mHz. Secondly, using the GLASS code, I study the effects of a localized sound speed perturbation placed at the north pole on radial, dipole, and quadrupole modes of oscillation. The study shows that the axisymmetric modes are the most strongly affected and their frequencies cannot be modeled by linear theory for large starspots. Mode eigenfunctions depart from their shape of pure spherical harmonics and get mixed with spherical harmonics of different angular degrees. This may affect the correct identification of the modes in the power spectrum.  Thirdly, we consider the observational signatures of a large starspot on modes of angular degree ℓ. For an active region rotating with the star (and not situated at a pole), the perturbation is not steady in any inertial frame. The combined effects of rotation and the starspot cause each mode to appear as (2ℓ+1)² peaks in the observed power spectrum. The envelope of the power spectrum of a multiplet is thus complex and depends on the latitude of the active region and the inclination angle of the star. Examples are computed using both perturbation theory and the GLASS code. This work ought to be useful in interpreting oscillation power spectra of spotted pulsators.de
dc.contributor.coRefereeBirch, Aaron C. Dr.
dc.subject.engAsteroseismologyde
dc.subject.engHelioseismologyde
dc.subject.engStellar activityde
dc.subject.engStarspotsde
dc.subject.engNumerical methodsde
dc.subject.engMagnetic fieldsde
dc.subject.engStellar modelsde
dc.subject.engRotationde
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-0028-872F-E-4
dc.affiliation.instituteFakultät für Physikde
dc.identifier.ppn856941034


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