Eclipsing Time Variations from 3D Magnetohydrodynamical Simulations

Abstract

Magnetic fields are ubiquitous in the Universe. In particular, the magnetic activity of the Sun has been observed for centuries and studied for more than a century. Nowadays we know that most stars are magnetized. Yet, the mechanism by which magnetic fields are sustained is not well understood. Dynamo theory, which describes how magnetic fields are amplified and sustained, has mostly been used to explain solar phenomena with moderate success.

A field where dynamo theory has hitherto not been exploited is in binary stars. Most of our knowledge of stellar structure and evolution come from carefully inferring stellar parameters from binaries. Measures of magnetic fields in stars are much more difficult to obtain, therefore limiting our knowledge thereof. A possibility to overcome this is encountered in close binaries via gravitational quadrupole variations which arise from density fluctuations of magnetic origin. This is observed as periodic eclipsing time variations in some close binaries. Two mechanisms stand out as potential explanations, namely the Applegate and Lanza mechanisms.

This thesis expands previous analytical works by solving the magnetohydrodynamic equations in a convective shell, representing a Sun-like star. It is found that the density fluctuations are too small to explain the observations with the original Applegate mechanism. However, when the magnetic field has a strong non-axisymmetric component, the Lanza mechanism can predict the observations to an order-of-magnitude approximation.

The simplicity of the Lanza mechanism allows to overcome the problems of the Applegate mechanism and may offer a new way of studying stellar magnetic fields by measurements of eclipsing time variations in close binaries.

Magnetfelder sind allgegenwärtig im Universum. Insbesondere wurde die über einem Jahrhundert erforscht. Heutzutage wissen wir, dass die meisten Sterne magnetisiert sind. Dennoch ist der Mechanismus, durch den Magnetfelder aufrechterhalten werden, nicht gut verstanden. Die Dynamotheorie, die beschreibt, wie Magnetfelder verstärkt und aufrechterhalten werden, wurde hauptsächlich verwendet, um solare Phänomene mit mäßigem Erfolg zu erklären.

Ein Bereich, in dem die Dynamotheorie bisher kaum genutz wurde, sind Doppelsterne. Ein Großteil unseres Wissens über die Struktur und Evolution von Sternen stammt aus sorgfältigem Ableiten von stellaren Parametern aus Doppelsternen. Messungen von Magnetfeldern in Sternen sind jedoch viel schwieriger zu erhalten, was unser Wissen darüber einschränkt. Eine Möglichkeit, dies zu überwinden, findet sich in engen Doppelsternen über Gravitationsquadrupolvariationen, die aus Dichteschwankungen magnetischen Ursprungs resultieren. Dies wird als periodische Veränderungen der Verfinsterungszeit in einigen engen Doppelsternen beobachtet. Zwei Mechanismen zeichnen sich als potenzielle Erklärungen ab, nämlich der Applegate- und der Lanza-Mechanismus.

Diese Arbeit erweitert vorherige analytische Arbeiten, indem die magnetohydrodynamischen Gleichungen in einer konvektiven Schale gelöst werden, die einen sonnenähnlichen Stern darstellt. Es wird festgestellt, dass die Dichteschwankungen mit dem ursprünglichen Applegate-Mechanismus zu gering sind, um die Beobachtungen zu erklären. Wenn das Magnetfeld jedoch eine starke nichtachsensymmetrische Komponente hat, kann der Lanza-Mechanismus die Beobachtungen mit einer Genauigkeit von etwa einer Größenordnung vorhersagen.

Die Einfachheit des Lanza-Mechanismus ermöglicht es, die Probleme des Applegate-Mechanismus zu überwinden, und könnte einen neuen Weg bieten, um stellare Magnetfelder durch Messungen von Verfinsterungszeitvariationen in engen Doppelsternen zu untersuchen