Magnetospheric Accretion and Out3low Activity in Brown - - PowerPoint PPT Presentation

Magnetospheric ¡Accretion ¡ and ¡Out3low ¡Activity ¡in ¡ Brown ¡Dwarfs ¡

Brown ¡Dwarfs ¡Come ¡of ¡Age, ¡Fuerteventura, ¡Canary ¡Islands, ¡May ¡20-­‑24, ¡2013 ¡

Basmah ¡Riaz ¡

• Uni. ¡of ¡Her2ordshire ¡

Magnetospheric ¡Accretion ¡model ¡

• Model ¡originally ¡proposed ¡for ¡

neutron ¡stars ¡(Ghosh ¡& ¡Lamb ¡1979), ¡ applied ¡to ¡CTTS ¡by ¡Uchida ¡et ¡al. ¡ (1985), ¡Bertout ¡et ¡al. ¡(1988). ¡

• Inner ¡region ¡main ¡site ¡of ¡different ¡

phenomenon ¡

• Circumstellar ¡disk ¡disrupted ¡by ¡

magnetosphere, ¡accreNng ¡material ¡ channeled ¡onto ¡star ¡along ¡mag ¡lines, ¡ accreNon ¡shock ¡formed ¡at ¡impact ¡ region, ¡ou2lows ¡launched ¡exterior ¡ to ¡disk ¡truncaNon ¡point ¡

• Blue/UV ¡conNnuum ¡excess ¡emission ¡

from ¡hot ¡acc. ¡shock, ¡broad ¡emission ¡ lines ¡in ¡gas ¡flows, ¡forbidden ¡ emission ¡lines ¡in ¡ou2low/jet ¡ ObservaNonal ¡evidence ¡of ¡these ¡processes ¡confirmed ¡in ¡T ¡Tauri ¡stars ¡(>0.5 ¡Msun), ¡ with ¡mass ¡accreNon ¡rates ¡found ¡to ¡be ¡10-­‑8 ¡– ¡10-­‑11 ¡Msun/yr ¡(Gullbring ¡et ¡al. ¡1998; ¡ 2000; ¡White ¡& ¡Basri ¡2003; ¡Calvet ¡et ¡al. ¡2000; ¡White ¡& ¡Ghez ¡2001; ¡Muzerolle ¡et ¡al. ¡ 1998; ¡2001) ¡

Hartmann ¡(2000) ¡

Accretion ¡at ¡the ¡sub-­‑stellar ¡limit ¡

• First ¡confirmed ¡detecNon ¡of ¡accreNon ¡acNvity ¡in ¡a ¡BD ¡by ¡Muzerolle ¡et ¡al. ¡(2000) ¡

Taurus ¡BD ¡V410 ¡Anon ¡13 ¡(~0.04 ¡– ¡0.06 ¡Msun) ¡ ¡

• Hα ¡profile ¡– ¡broad, ¡asymmetric, ¡10% ¡width=250 ¡km/s, ¡consistent ¡with ¡CTTS. ¡Non-­‑

accretors ¡have ¡narrow, ¡symmetric ¡profiles ¡with ¡10% ¡width ¡of ¡~100km/s. ¡

• Magnetospheric ¡acc. ¡model ¡– ¡Mass ¡accreNon ¡rate ¡~ ¡5x10-­‑12 ¡Msun/yr ¡à ¡3 ¡orders ¡of ¡

magnitude ¡smaller ¡than ¡typical ¡rate ¡for ¡0.5Msun ¡star. ¡

• Low ¡accreNon ¡rate ¡=> ¡lack ¡of ¡opNcal ¡veiling ¡or ¡excess ¡conNnuum ¡produced ¡at ¡

accreNon ¡shocks. ¡ ¡

• Modeling ¡of ¡accreNon ¡shocks ¡-­‑> ¡energy ¡flux ¡and ¡surface ¡coverage ¡<10-­‑3 ¡smaller ¡than ¡

typical ¡CTTS ¡

Accretion ¡in ¡sub-­‑stellar ¡objects ¡

• Larger ¡surveys ¡conducted ¡of ¡BDs ¡in ¡Taurus, ¡IC ¡348, ¡σ ¡Ori, ¡ρ ¡Oph, ¡Upper ¡Sco ¡regions ¡

(Muzerolle ¡et ¡al. ¡2003; ¡2005) ¡

• Modeling ¡of ¡Hα ¡profile ¡-­‑> ¡Acc. ¡rate ¡in ¡the ¡range ¡of ¡10-­‑9.3 ¡– ¡10-­‑12 ¡Msun/yr ¡
• Accretors ¡also ¡show ¡Hβ, ¡Hγ, ¡HeIλ5876, ¡CaII ¡IRT ¡emission ¡
• Insignificant ¡conNnuum ¡veiling, ¡(Fex/Fph) ¡< ¡0.2. ¡Measurable ¡veiling ¡produced ¡when ¡
• acc. ¡rate ¡> ¡10-­‑10 ¡Msun/yr ¡

Accretor/Non-­‑accretor ¡threshold ¡

• BM03: ¡saturaNon ¡limit ¡log ¡[L(Hα)/L(bol)] ¡

= ¡-­‑3.3 ¡(av. ¡in ¡young ¡clusters), ¡converted ¡ to ¡Hα ¡EW ¡for ¡different ¡SpT ¡

• LimiNng ¡EW ¡increases ¡for ¡later ¡types ¡-­‑> ¡

same ¡Hα ¡flux ¡prominent ¡against ¡cooler ¡ photosphere ¡(contrast ¡effect) ¡

• WB03: ¡Full ¡width ¡of ¡Hα ¡line ¡at ¡10% ¡of ¡

peak ¡≥270 ¡km/s, ¡regardless ¡of ¡SpT ¡

• M03: ¡Lack ¡of ¡veiling ¡-­‑> ¡lower ¡cutoff ¡10% ¡

width ¡≥200 ¡km/s ¡ Barrado ¡& ¡MarNn ¡2003 ¡

White ¡& ¡Basri ¡2003 ¡

Muzerolle ¡et ¡al. ¡2003 ¡

Other ¡Accretion ¡Indicators ¡

• Naua ¡et ¡al. ¡(2004) ¡– ¡search ¡for ¡BD ¡accretors ¡in ¡ρ ¡Oph ¡
• 70% ¡targets ¡with ¡Hα ¡also ¡show ¡Paβ ¡emission; ¡20% ¡show ¡Brγ ¡emission ¡
• CorrelaNon ¡bet. ¡Paβ ¡luminosity ¡and ¡Lacc ¡(Hα) ¡observed ¡in ¡CTTS ¡extends ¡to ¡BDs ¡
• L(Paβ) ¡also ¡a ¡good ¡measure ¡of ¡Lacc ¡

Naua ¡et ¡al. ¡2004 ¡

Other ¡Accretion ¡Indicators ¡

• Mohanty ¡et ¡al. ¡(2005): ¡Ca ¡II ¡λ8662 ¡emission ¡

detected ¡in ¡~80% ¡of ¡accretors ¡(Hα) ¡

• Ca ¡II ¡λ8662 ¡flux ¡declines ¡sharply ¡with ¡acc ¡

rate, ¡correlaNon ¡observed ¡over ¡4 ¡order ¡of ¡ magnitude ¡in ¡flux ¡and ¡acc ¡rate ¡

• SystemaNc ¡offset ¡between ¡high-­‑mass ¡and ¡

VLM ¡accretors ¡à ¡methodology ¡of ¡derivaNon ¡ (U-­‑band ¡veiling ¡vs. ¡Hα ¡modeling), ¡diff ¡ formaNon ¡regions ¡(infalling ¡gas ¡vs ¡accreNon ¡ shock) ¡

Mohanty ¡et ¡al. ¡2005 ¡

Other ¡Accretion ¡Indicators ¡

• Rigliaco ¡et ¡al. ¡2012: ¡Several ¡accreNon ¡indicators ¡idenNfied ¡in ¡X-­‑Shooter ¡spectra ¡of ¡

VLMS ¡à ¡reliable ¡esNmate ¡of ¡accreNon ¡rate ¡~ ¡2x10-­‑9 ¡to ¡~2x10-­‑11 ¡Msun/yr ¡

• AccreNon ¡luminosity ¡from ¡excess ¡conNnuum ¡emission ¡correlates ¡with ¡most ¡line ¡
• luminosiNes. ¡Large ¡dispersions ¡of ¡more ¡than ¡an ¡order ¡of ¡mag ¡also ¡noted ¡-­‑> ¡different ¡

stellar/disk ¡properNes, ¡wind/jet ¡contribuNons ¡(He ¡I, ¡Na ¡I ¡ou2low-­‑associated) ¡

Accretion ¡rate ¡vs. ¡mass ¡

• A ¡correlaNon ¡between ¡stellar ¡mass ¡

and ¡mass ¡accreNon ¡rate ¡first ¡noted ¡ by ¡Muzerolle ¡et ¡al. ¡(2000) ¡– ¡derived ¡ relaNon ¡ ¡ M2.1 ¡

• CorrelaNon ¡conNnuous ¡across ¡~6 ¡
• rders ¡of ¡magnitude ¡in ¡acc ¡rate, ¡ ¡ ¡

~2 ¡order ¡of ¡magnitude ¡in ¡mass ¡à ¡ ¡ same ¡formaNon ¡mechanism ¡for ¡ sub-­‑stellar ¡and ¡stellar ¡objects ¡

• Mohanty ¡et ¡al. ¡(2005) ¡extended ¡

the ¡relaNon ¡to ¡lower ¡masses ¡ M2 ¡ ¡(± ¡1 ¡dex) ¡

• Considerable ¡scauer ¡in ¡acc ¡rate ¡for ¡

a ¡given ¡mass: ¡intrinsic ¡differences, ¡ age, ¡iniNal ¡condiNons, ¡method ¡of ¡ measuring ¡acc. ¡rate ¡

Accretion ¡rate ¡vs. ¡mass ¡

• Fang ¡et ¡al. ¡(2011) ¡compiled ¡data ¡from ¡Taurus, ¡ρ ¡Oph, ¡Cha ¡I, ¡IC ¡348, ¡λ ¡Ori, ¡Upp ¡Sco ¡
• Exponent ¡ranges ¡between ¡2.75 ¡– ¡3.42, ¡depends ¡on ¡acc ¡diagnosNc ¡
• Scauer ¡largest ¡in ¡UV ¡excess ¡measurements, ¡break ¡in ¡relaNon ¡around ¡1 ¡Msun ¡

Accretion ¡rate ¡vs. ¡Age ¡

• Trend ¡of ¡decreasing ¡acc ¡

rate ¡w ¡increasing ¡age, ¡more ¡

• bvious ¡for ¡objects ¡below ¡

~0.5Msun ¡

• AccreNon ¡rate ¡dropped ¡

below ¡measurable ¡levels ¡by ¡ ~5 ¡Myr ¡

Mohanty ¡et ¡al. ¡2005 ¡

BM03 ¡ Fang ¡et ¡al. ¡2011 ¡

Accretion ¡rate ¡vs. ¡age ¡– ¡2M1207 ¡

• ~10 ¡Myr ¡BD ¡known ¡to ¡show ¡accreNon ¡acNvity ¡ ¡
• broad, ¡asymmetric ¡Hα ¡profile ¡with ¡red-­‑shiyed ¡absorpNon ¡component ¡à ¡high ¡

inclinaNon ¡disk ¡

• accreNon ¡rate ¡varies ¡by ¡a ¡factor ¡of ¡5-­‑10 ¡on ¡a ¡Nmescale ¡of ¡6 ¡weeks. ¡

Mohanty ¡et ¡al. ¡2005 ¡ Scholz ¡et ¡al. ¡2005 ¡ Poster ¡by ¡Stelzer ¡et ¡al. ¡(X-­‑Shooter ¡spectra) ¡

Out3low ¡Activity ¡in ¡Brown ¡Dwarfs ¡

• Ou2low ¡acNvity ¡first ¡suggested ¡by ¡forbidden ¡emission ¡lines ¡(FEL) ¡in ¡opNcal ¡spectra ¡of ¡

accreNng ¡BDs ¡(Fernandez ¡& ¡Cameron ¡2001) ¡-­‑> ¡no ¡apparent ¡ou2low ¡extensions ¡ ¡

• FEL ¡criNcal ¡density ¡region ¡on ¡scales ¡of ¡~100 ¡mas, ¡lies ¡3-­‑10 ¡Nmes ¡closer ¡to ¡a ¡BD ¡than ¡

CTTS, ¡challenging ¡to ¡directly ¡resolve ¡a ¡BD ¡ou2low ¡

• High-­‑resoluNon ¡spectra ¡to ¡recover ¡the ¡spaNal ¡offsets ¡in ¡FEL ¡region ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡
• ­‑-­‑> ¡Spectro-­‑astrometry ¡technique ¡by ¡Whelan ¡et ¡al. ¡2005 ¡
• Two ¡different ¡N-­‑S ¡and ¡E-­‑W ¡slit ¡posiNons. ¡A ¡+ve ¡offset ¡corresponds ¡to ¡extended ¡

emission ¡in ¡northerly/easterly ¡direcNon, ¡-­‑ve ¡offset ¡in ¡southerly/westerly ¡direcNon. ¡

Centroid Offset (arcseconds)

[OI]λ6300

Counts (arbitrary units)

90 100 110 120 130 140

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

[OI]λ6363

50 100 150 200

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

| |

ρ-­‑Oph ¡102 ¡(60 ¡Mjup) ¡

• Broad ¡profile ¡in ¡FEL ¡[OI]λλ6300,6363. ¡Moderately ¡blue-­‑shiyed ¡(Vrad ¡~ ¡-­‑45 ¡km/s) ¡
• Absence ¡of ¡red-­‑shiyed ¡ou2low ¡component ¡à ¡an ¡obscuring ¡accreNon ¡disk, ¡also ¡

noted ¡in ¡CTTS ¡(Hirth ¡et ¡al. ¡1997). ¡

• Mass ¡ou2low ¡rate ¡of ¡1.7x10-­‑10 ¡Msun/yr ¡([SII] ¡6731Angs ¡line) ¡

Whelan ¡et ¡al. ¡2005 ¡

2M1207 ¡(24MJup): ¡lowest ¡mass ¡out3low ¡source ¡

Whelan ¡et ¡al. ¡2007 ¡

• SpaNally ¡extended ¡FEL ¡regions ¡
• Blue-­‑shiyed ¡(-­‑8km/s) ¡and ¡red-­‑shiyed ¡(+4km/s) ¡components ¡à ¡faint ¡bipolar ¡ou2low ¡

LS-­‑RCrA ¡1 ¡(35-­‑72MJup) ¡

• Strong ¡accretor-­‑ ¡Hα ¡10% ¡width ¡~300 ¡km/s ¡
• Ou2low ¡signatures ¡detected ¡in ¡Hα ¡
• Blue-­‑shiyed ¡and ¡red-­‑shiyed ¡“bumps” ¡
• bserved ¡at ¡Vrad ¡~ ¡-­‑50km/s ¡and ¡+100 ¡km/s ¡
• FELs ¡trace ¡blue-­‑shiyed ¡ou2low ¡only ¡

(obscured ¡by ¡accreNon ¡disk) ¡ ¡

• Red-­‑shiyed ¡lobe ¡in ¡Hα ¡likely ¡visible ¡

through ¡a ¡hole ¡(~7 ¡AU) ¡in ¡the ¡disk ¡

• Hα ¡can ¡trace ¡ou2lows ¡driven ¡by ¡BDs ¡
• Evidence ¡of ¡both ¡a ¡LVC ¡and ¡HVC: ¡[OI]λ6300 ¡

(-­‑5km/s), ¡[NII]λ6583 ¡(-­‑75km/s) ¡ ¡ [SII]λ6731 ¡

Whelan ¡et ¡al. ¡2009 ¡

ISO-­‑ChaI ¡217: ¡asymmetrical ¡lobes ¡

• Blue-­‑shiyed ¡(-­‑16km/s) ¡and ¡red-­‑shiyed ¡(+32km/s) ¡components ¡detected ¡in ¡[SII]

λλ6716,6731 ¡and ¡[OI]λλ6300,6363 ¡à ¡bipolar ¡ou2low ¡

• Strong ¡asymmetries ¡in ¡blue-­‑ ¡and ¡red-­‑shiyed ¡lobes: ¡Red-­‑shiyed ¡lobe ¡is ¡brighter, ¡has ¡

higher ¡electron ¡density, ¡and ¡is ¡faster ¡(factor ¡of ¡~2 ¡difference ¡in ¡Vrad) ¡than ¡blue-­‑ shiyed ¡lobe ¡

• Similarity ¡with ¡CTTS ¡RW ¡Aur ¡(Hirst ¡et ¡al. ¡1994), ¡similar ¡mechanism ¡responsible ¡in ¡

the ¡sub-­‑stellar ¡mass ¡regime ¡ Whelan ¡et ¡al. ¡2009 ¡ Joergens ¡et ¡al. ¡2012 ¡

Molecular ¡out3low ¡driven ¡by ¡a ¡BD ¡

ISO-­‑Oph ¡102 ¡(60MJup) ¡ Phan-­‑Bao ¡et ¡al. ¡(2008) ¡

• Significant ¡discovery ¡in ¡the ¡

field ¡of ¡BD ¡ou2lows ¡

• ObservaNons ¡of ¡a ¡CO ¡J=2-­‑1 ¡

bipolar ¡molecular ¡ou2low ¡ driven ¡by ¡ISO-­‑Oph ¡102 ¡

• Two ¡spaNally ¡resolved ¡blue-­‑ ¡

and ¡red-­‑shiyed ¡CO ¡ components ¡symmetrically ¡ displaced ¡on ¡opposite ¡sides ¡of ¡ the ¡BD ¡

• Mass ¡loss ¡rate ¡of ¡1.4 ¡x ¡10-­‑9 ¡

Msun/yr ¡

Accretion ¡rate ¡vs. ¡out3low ¡rate ¡

• CTTS ¡show ¡a ¡large ¡scauer ¡about ¡the ¡

linear ¡fit ¡(HarNgan ¡et ¡al. ¡1995) ¡

• Very ¡few ¡BD ¡ou2low ¡sources ¡

confirmed ¡to ¡date ¡(8 ¡in ¡total ¡?) ¡

• ObservaNon ¡bias: ¡selecNon ¡of ¡bright ¡

targets ¡=> ¡objects ¡w ¡higher ¡ou2low ¡ rates ¡(bright ¡[OI] ¡emission) ¡selected ¡

• Overall, ¡strong ¡similariNes ¡between ¡
• u2low ¡acNvity ¡in ¡BD ¡mass ¡regime ¡and ¡

CTTS ¡

Mass ¡ou2low ¡rate ¡ Mass ¡accreNon ¡rate ¡ Method ¡ Method ¡

• Mass ¡ou2low ¡rate ¡for ¡brown ¡dwarfs ¡in ¡the ¡range ¡10-­‑9 ¡– ¡10-­‑10 ¡Msun/yr ¡à ¡

degeneracies ¡due ¡to ¡method ¡applied, ¡electron ¡density, ¡jet ¡velocity, ¡etc. ¡

• Mass ¡ou2low ¡rate ¡for ¡BDs ¡comparable ¡to ¡mass ¡accreNon ¡rate ¡(Whelan ¡et ¡
• al. ¡2009) ¡

HarNgan ¡et ¡al. ¡1995 ¡

Thank ¡you! ¡