German Title: Untersuchung der Aktivität von M-Zwergen: Spektroskopische, Photometrische und Modellanalysen

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Abstract

Stellar activity, characterised by various phenomena such as active regions, flares, coronal mass ejections (CME), etc., can be observed in low-mass stars, such as M-dwarfs. Understanding the activity of M-dwarfs is of paramount importance due to their suitability as hosts for exoplanets, including potentially habitable ones. By comprehending the activity of these stars, we not only enhance the accuracy of exoplanet detection but also gain crucial insights into the habitability of these associated exoplanets. Furthermore, studying activity in low-mass stars provides invaluable knowledge about their internal structure and sheds light on the dynamo processes that generate their magnetic fields. The primary objective of this PhD dissertation is to examine the impact of stellar activity on high-precision spectroscopic and photometric data. In pursuit of this goal, I utilised data from two highly successful exoplanet surveys, namely CARMENES and TESS.

For the first project, a sample of 58 highly active M dwarfs was carefully selected from the CARMENES survey. The aim was to examine the effect of active regions on the radial velocity (RV) measurements in these stars, using the chromatic index (CRX) as a robust parameter capable of capturing the wavelength-dependent RV signatures. The first part of this research focused on assessing the significance of the CRX-RV correlation in these stars, and its potential relationship with key stellar parameters such as mass, rotation period, v sin i, and others. In the second part, the investigation delved into the identification and analysis of periodic RV signals associated with the rotation period (or its harmonics) across the échelle orders of the visible-light (VIS) and near-infrared (NIR) channels of the CARMENES spectrograph.

The second project focused on studying the TESS light curves of the same group of stars, if available, to explore the potential correlation between their flare properties, stellar parameters, and chromospheric activity indices obtained from CARMENES. Given the well-established association between sunspots and flares, it was important to investigate whether a similar relationship exists among these magnetically connected phenomena on other stars. To achieve this, a semi-automated flare detection algorithm was developed to extract key flare characteristics such as amplitude, equivalent duration, and bolometric energy. To investigate the distribution of flares emitted at different energy levels, flare frequency diagrams (FFDs) were generated and parameterised to facilitate the observation of potential relationships.

The final project involved a comprehensive case study that focused on the detailed modelling of the stellar surface of V388 Cas. This was achieved by utilising high-resolution spectra obtained from CARMENES in conjunction with simultaneous TESS photometry. To accomplish this, we employed the powerful modelling tool, StarSim, to effectively simulate a rotating photosphere with spotted regions. The first step involved using the inverse method to retrieve the active regions of the star based on the simultaneous observations. Subsequently, we predicted the RV values across different wavelength ranges, matching the echelle spectrographs’ orders, and compared them to the observed RV values. This comparison allowed us to identify wavelength regions that were more susceptible to spot-induced signals in the absence of atmospheric and instrumental noise. In addition to this analysis, the TESS observations of V388 Cas were leveraged to conduct a study on the evolution of flares. Furthermore, we explored the possibility of a CME occurrence on the star by examining a blue asymmetry in the chromospheric lines of a spectroscopic observation taken 12 hours after a superflare event.

Translation of abstract (German)

Stellare Aktivität, gekennzeichnet durch verschiedene Phänomene wie aktive Regionen, Flares, koronale Massenauswürfe usw., kann bei massearmen Sternen wie M-Zwergen beobachtet werden. Das Verständnis der Aktivität von M-Zwergen ist von größter Bedeutung aufgrund ihrer Eignung als Gastgeber für Exoplaneten, einschließlich potenziell bewohnbarer. Durch das Erfassen der Aktivität dieser Sterne verbessern wir nicht nur die Genauigkeit der Exoplanetenerkennung, sondern gewinnen auch entscheidende Erkenntnisse über die Bewohnbarkeit dieser damit verbundenen Exoplaneten. Darüber hinaus liefert die Untersuchung der Aktivität in massearmen Sternen unschätzbares Wissen über deren interne Struktur und wirft Licht auf die Dynamo-Prozesse, die ihre magnetischen Felder erzeugen. Das Hauptziel dieser Doktorarbeit ist es, den Einfluss der stellaren Aktivität auf hochpräzise spektroskopische und photometrische Daten zu untersuchen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden Daten von zwei äußerst erfolgreichen Exoplaneten-Umfragen verwendet, nämlich CARMENES und TESS.

Für das erste Projekt wurde eine Stichprobe von 58 stark aktiven M-Zwergen sorgfältig aus der CARMENES-Umfrage ausgewählt. Das Ziel war es, den Einfluss aktiver Regionen auf die Radialgeschwindigkeitsmessungen (RV) in diesen Sternen zu untersuchen, wobei der chromatische Index (CRX) als robuster Parameter verwendet wurde, der in der Lage ist, die wellenlängenabhängigen RV-Signaturen zu erfassen. Der erste Teil dieser Forschung konzentrierte sich darauf, die Bedeutung der CRX-RV-Korrelation in diesen Sternen und ihre potenzielle Beziehung zu wichtigen stellaren Parametern wie Masse, Rotationsperiode, v sin i und anderen zu bewerten. Im zweiten Teil beschäftigte sich die Untersuchung mit der Identifizierung und Analyse periodischer RV-Signale, die mit der Rotationsperiode (oder ihren Harmonischen) in den Echelle-Ordnungen der sichtbaren (VIS) und nahen Infrarot (NIR) Kanäle des CARMENES-Spektrographen zusammenhängen.

Das zweite Projekt konzentrierte sich darauf, die TESS-Lichtkurven derselben Gruppe von Sternen zu untersuchen, sofern verfügbar, um die potenzielle Korrelation zwischen ihren Flare-Eigenschaften, stellaren Parametern und chromosphärischen Aktivitätsindizes, die von CARMENES erhalten wurden, zu erforschen. Angesichts der etablierten Verbindung zwischen Sonnenflecken und Flares war es wichtig zu untersuchen, ob eine ähnliche Beziehung zwischen diesen magnetisch verbundenen Phänomenen auch bei anderen Sternen besteht. Zu diesem Zweck wurde ein halbautomatischer Flare-Erkennungsalgorithmus entwickelt, um wichtige Flare-Eigenschaften wie Amplitude, äquivalente Dauer und bolometrische Energie zu extrahieren. Um die Verteilung von Flares unterschiedlicher Energiepegel zu untersuchen, wurden Flare-Frequenzdiagramme (FFDs) generiert und parameterisiert, um die Beobachtung potenzieller Zusammenhänge zu erleichtern.

Das abschließende Projekt umfasste eine umfassende Fallstudie, die sich auf die detaillierte Modellierung der stellaren Oberfläche von V388Cas konzentrierte. Dies wurde durch die Verwendung von hochauflösenden Spektren, die von CARMENES in Verbindung mit simultaner TESS-Photometrie erhalten wurden, erreicht. Um dies zu erreichen, haben wir das leistungsstarke Modellierungswerkzeug StarSim eingesetzt, um eine rotierende Photosphäre mit Fleckenzonen effektiv zu simulieren. Der erste Schritt bestand darin, die aktiven Regionen des Sterns mithilfe der inversen Methode basierend auf den simultanen Beobachtungen zuermitteln. Anschließend haben wir die Radialgeschwindigkeitswerte für verschiedene Wellenlängenbereiche vorhergesagt, die den Ordnungen der Echelle-Spektrographen entsprechen, und mit den beobachteten Radialgeschwindigkeitswerten verglichen. Dieser Vergleich ermöglichte es uns, Wellenlängenbereiche zu identifizieren, die anfälliger für von Flecken verursachte Signale sind, selbst in Abwesenheit von atmosphärischem und instrumentellem Rauschen. Zusätzlich zu dieser Analyse wurden die TESS-Beobachtungen von V388Cas genutzt, um eine Studie über die Entwicklung von Flares durchzuführen. Darüber hinaus haben wir die Möglichkeit des Auftretens einer koronalen Massenauswurfes (CME) auf dem Stern untersucht, indem wir eine blaue Asymmetrie in den chromosphärischen Linien einer spek- troskopischen Beobachtung 12 Stunden nach einem Superflare-Ereignis untersucht haben.