Modeling the Flare Activity of the Ultra-Fast Rotator V374 Peg Using the OPEA Model

Abstract

This study presents a detailed analysis of the flare activity of V374 Peg, an ultra-fast rotating M4 dwarf star. The analysis was based on high-precision photometric data obtained from the Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). The light curve reveals frequent strong flares and a sinusoidal modulation, which is attributed to rotational effects caused by cool starspots. The sinusoidal variation, out-of- flare, was modeled using a Fourier series. A total of 276 flares were identified, and their parameters were systematically determined. The distribution of the flare equivalent durations (in logarithmic scale) versus their total durations was modeled using the One Phase Exponential Association (OPEA) function. This approach allowed the estimation of the saturation level of the flare activity, also known as the "plateau level." The flares were found to group into two sets with distinct plateau levels, which were compared to those of similar stars in the literature. Furthermore, the cumulative flare frequency distribution was computed using equivalent duration instead of flare energy. The slope of the linear model derived from this distribution was also compared with those of other active M-type dwarfs. Phase analysis revealed that flare occurrences tend to cluster between phases 0.10–0.60 for Quarter 15 and 0.50–0.70 for Quarter 56, suggesting the presence of long-lived magnetic active regions on the stellar surface.

Keywords

• techniques: photometric
• methods: data analysis
• methods: statistical
• stars: low-mass
• stars: flare
• stars: individual (V374 Peg)

Ultra Hızlı Dönücü V374 Peg’in Flare Aktivitesinin OPEA Modeli ile Modellenmesi

Abstract

Bu çalışmada ultra hızlı dönücü olarak bilinen V374 Peg ‘in sergilediği flare aktivitesi detaylı olarak incelenmiştir. Literatürde oldukça iyi çalışılmış bir sistem olan bu yıldızın analizleri Transiting Exoplanet Survey Satellite (kısaca, TESS) Görevi tarafından elde edilen veriler kullanılarak yapılmıştır. Işık eğrisi incelendiğinde oldukça güçlü flarelere sahip olduğu ve ayrıca sinüzoidal değişim sergilediği görülür. V374 Peg’in M4 cüce yıldız olması bu sinüzoidal değişimlerin soğuk yıldız lekelerinden kaynaklanan dönme modülasyonu etkisi olduğu görülür. Flare dışında kalan sinüzoidal değişim etkisi, Fourier Serisi ile modellenmiştir. Ayrıca 276 flare tespit edilmiş olup flare parametreleri belirlenmiştir. Tespit edilen flarelerin parametrelerinden flare toplam süresine karşılık logaritmik ölçektedir eşdeğer sürelerinin gösterdiği dağılım OPEA modeli ile modellenerek yıldızın sergilediği flare aktivitesi için “Plateau Düzeyi” olarak literatürde tanımlanan doyum seviyesi belirlenmeye çalışılmıştır. Yıldızın sergilediği flarelerin iki farklı plateau düzeyine sahip gruplara ayrıldığı görülmüştür. Elde edilen bu düzeyler benzer yıldızların sahip olduğu plateau düzeyleri ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca 276 flare için kümülatif flare frekans dağılımı literatürde farklı olarak flare enerjisi yerine flare eşdeğer süresi üzerinden hesaplanmıştır. Elde edilen dağılımın lineer modelinin eğimi ise benzer yıldızların sahip olduğu eğimlerle karşılaştırılmıştır. Farklı çeyrekliklerde gözlenen veriler kullanıldığında flarelerin Q-15 verileri için 0.10 – 0.60 evrelerinde, Q-56 için ise 0.50-0.70 evrelerinde, evresel yoğunlaşma davranışı sergilediği görülmüştür. Bu durum yıldız yüzeyinde uzun süreli olarak aktif kalan manyetik bölgelerin varlığına işaret etmektedir.

Keywords

• Teknikler: Fotometri
• Methotlar: Data Analiz
• Methotlar: Istatistiksel
• Yıldızlar: Düşük Kütleli
• Yıldızlar: Flare
• Yıldızlar: V374 Peg

References

1. Carrington RC. Description of a Singular Appearance seen in the Sun on September 1, 1859. Mon Not R Astron Soc 1859;20:13. doi:10.1093/mnras/20.1.13.
2. Hodgson R. On a curious Appearance seen in the Sun. Mon Not R Astron Soc 1859;20:15. doi:10.1093/mnras/20.1.15a.
3. Scalo J, Kaltenegger L, Segura A, Fridlund M, Ribas I, Kulikov YN, Grenfell JL, Rauer H, Odert P, Leitzinger M, Selsis F, Khodachenko ML, Eiroa C, Kasting J, Lammer H. M Stars as Targets for Terrestrial Exoplanet Searches And Biosignature Detection. Astrobiology 2007;7:85. doi:10.1089/ast.2006.0125.
4. Rodonó M. The atmospheres of M dwarfs: Observations. NASSP 1986;492:409–53.
5. Skumanich A. Time Scales for CA II Emission Decay, Rotational Braking, and Lithium Depletion. Astrophys J 1972;171:565. doi:10.1086/151310.
6. Marcy GW, Chen GH. The rotation of M dwarfs. Astrophys J 1992;390:550. doi:10.1086/171305.
7. Scholz A, Eislöffel J. The first rotation periods in Praesepe. MNRAS 2007;381:1638. doi:10.1111/j.1365-2966.2007.12333.x.
8. Vidotto AA, Jardine M, Opher M, Donati JF, Gombosi TI. Powerful winds from low-mass stars: V374 Peg. Mon Not R Astron Soc 2011;412(1):351–62. doi:10.1111/j.1365-2966.2010.17908.x.

9. Badalyan OG, Livshits MA. Mass Loss by Active Late Type Stars. SvA 1992;36:70.
10. Mullan DJ, Doyle JG, Redman RO, Mathioudakis M. Limits on Detectability of Mass Loss from Cool Dwarfs. ApJ 1992;397:225. doi:10.1086/171781.
11. Lim J, White SM. Limits to Mass Outflows from Late-Type Dwarf Stars. ApJ 1996;462:L91. doi:10.1086/310038.
12. van den Oord GHJ, Doyle JG. Constraints on mass loss from dMe stars: theory and observations. A&A 1997;319:578.
13. Wargelin BJ, Drake JJ. Observability of Stellar Winds from Late-Type Dwarfs via Charge Exchange X-Ray Emission. ApJ 2001;546:L57. doi:10.1086/318066.
14. Gershberg RE. Solar-Type Activity in Main-Sequence Stars. New York: Springer; 2005.
15. Aulanier G, Demoulin P, Schrijver CJ, et al. The standard flare model in three dimensions. II. Upper limit on solar flare energy. Astron Astrophys 2013;549:66. doi:10.1051/0004-6361/201220406.
16. Gershberg RE, Shakhovskaya NI. Characteristics of activity energetics of the UV Cet-type flare stars. Astrophys Space Sci 1983;95:235–53. doi:10.1007/BF00653631.
17. Reid IN, Hawley SL, Gizis JE. The Palomar/MSU Nearby-Star Spectroscopic Survey. I. The Northern M Dwarfs -Bandstrengths and Kinematics. AJ 1995;110:1838. doi:10.1086/117655.
18. Greimel R, Robb RM. Flares Discovered on 1RXS J220111+281849. Inf Bull Variable Stars 1998;4652:1.
19. Vida K, Kriskovics L, Oláh K, Leitzinger M, Odert P, Kővári Zs, Korhonen H, Greimel R, Robb R, Csák B, Kovács J. Investigating magnetic activity in very stable stellar magnetic fields. A&A 2016;590:A11. doi:10.1051/0004-6361/201527925.
20. Donati J, Forveille T, Cameron AC, Barnes JR, Delfosse X, Jardine MM, Valenti JA. The Large-Scale Axisymmetric Magnetic Topology of a Very-Low-Mass Fully Convective Star. Science 2006;311:633. doi:10.1126/science.1121102.
21. Morin J, Donati JF, Forveille T, Delfosse X, Dobler W, Petit P, Jardine MM, Collier Cameron A, Albert L, Manset N, Dintrans B, Chabrier G, Valenti JA. The stable magnetic field of the fully convective star V374 Peg. MNRAS 2008;384:77. doi:10.1111/j.1365-2966.2007.12709.x.
22. Ricker GR, et al. Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). J Astron Telesc Instrum Syst 2015;1:014003. doi:10.1117/1.JATIS.1.1.014003.
23. Jenkins JM, Twicken JD, McCauliff S, Campbell J, Sanderfer D, Lung D, Mansouri-Samani M, Girouard F, Tenenbaum P, Klaus T, Smith JC, Caldwell DA, Chacon AD, Henze C, Heiges C, Latham DW, Morgan E, Swade D, Rinehart S, Vanderspek R. The TESS science processing operations center. Proc SPIE 2016;9913:99133E. doi:10.1117/12.2233418.
24. Lightkurve Collaboration. Lightkurve: Kepler and TESS time series analysis in Python. Astrophysics Source Code Library 2018;ascl:1812.013.
25. Gershberg RE. Some results of the cooperative photometric observations of the UV Cet-type flare stars in the years 1967–71. Ap&SS 1972;19:75. doi:10.1007/BF00643168.
26. Dal HA, Evren S. A New Method for Classifying Flares of UV Ceti Type Stars: Differences Between Slow and Fast Flares. Astron J 2010;140:483–89. doi:10.1088/0004-6256/140/2/483.
27. Dal HA, Evren S. Saturation Levels for White-light Flares of Flare Stars: Variation of Minimum Flare Duration for Saturation. Astron J 2011;141:33. doi:10.1088/0004-6256/141/2/33.
28. Green SB, Salkind NJ, Akey TM. Using SPSS for Windows: Analyzing and Understanding Data. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall; 1999.
29. Dawson B, Trapp RG. Basic and Clinical Biostatistics. New York: McGraw-Hill; 2004.
30. Lacy CH, Moffett TJ, Evans DS. UV Ceti Stars: Statistical Analysis of Observational Data. Astrophys J Suppl Ser 1976;30:85–96. doi:10.1086/190358.
31. Parker EN. Nanoflares and the Solar X-Ray Corona. Astrophys J 1988;330:474. doi:10.1086/166485.
32. Hudson HS. Solar flares, microflares, nanoflares, and coronal heating. Sol Phys 1991;133(2):357–69. doi:10.1007/BF00149894.
33. Saar SH, Bookbinder JA. The Contribution of Flares to Transition Region Heating in Active G and K Dwarfs. In: Donahue RA, Bookbinder JA, editors. The Tenth Cambridge Workshop on Cool Stars, Stellar Systems and the Sun, ASP Conf. Ser. 154; 1998, p. 1560.
34. Yoldaş E, Dal HA. Unexpected stratification in the equivalent-duration distributions of flare stars. Mon Not R Astron Soc 2024;534(3):2819–29. doi:10.1093/mnras/stae2276.
35. Wolk SJ, Harnden FR Jr, Flaccomio E, Micela G, Favata F, Shang H, Feigelson ED. Stellar Activity on the Young Suns of Orion: COUP Observations of K5-7 Pre-Main-Sequence Stars. Astrophys J Suppl Ser 2005;160(2):423. doi:10.1086/432099.
36. Lin CL, Ip WH, Hou WC, Huang LC, Chang HY. A Comparative Study of the Magnetic Activities of Low-mass Stars from M-type to G-type. Astrophys J 2019;873(1):97. doi:10.3847/1538-4357/ab041c.