Interplay between magnetic fields, convection and radiation: The brightness of the stellar faculae

Abstract

El Sol, una estrella de secuencia principal G2V, sirve de modelo representativo para todas las estrellas fr´ıas de secuencia principal, que comparten una estructura global com´un influida por los campos magn´eticos, que desempe˜nan un papel crucial en diversos fen´omenos estelares. En este trabajo se revisa y ampl´ıa el modelo de Spruit, que reproduce con exactitud las intensidades relativas observadas en la superficie solar, incorporando consideraciones termodin´amicas y campos magn´eticos. A pesar de su simplicidad, el modelo de Spruit proporciona una visi´on significativa de los mecanismos f´ısicos que subyacen a estas observaciones y facilita la parametrizaci´on de los modelos de los tubos de flujo, que son esenciales para para comprender la actividad magn´etica estelar. Por el contrario, las simulaciones realistas tridimensionales, si bien son exhaustivas y tienen en cuenta una amplia gama de procesos f´ısicos, a menudo ocultan los mecanismos de la actividad magn´etica estelar. Este trabajo pretende clarificar los detalles y m´etodos del modelo de Spruit reimplement´andolo con m´etodos num´ericos modernos para analizar su dependencia de par´ametros espec´ıficos de diferentes tipos estelares y composiciones. La metodolog´ıa implica un estudio detallado del m´etodo de Spruit, la introducci´on de esquemas num´ericos avanzados, seguido de un estudio en profundidad de la transferencia radiativa. Nuestra implementaci´on actualizada ampl´ıa significativamente la aplicabilidad del modelo de Spruit a otras estrellas, proporcionando una contrapartida semianal´ıtica a simulaciones complejas. Este modelo mejorado permite una comprensi´on m´as profunda de c´omo influyen los distintos par´ametros en el comportamiento de los tubos de flujo magn´etico en diferentes entornos estelares. Los resultados se comparan minuciosamente con los resultados originales de Spruit, destacando tanto las similitudes como las diferencias. Tambi´en analizamos c´omo los par´ametros que definen el tubo de flujo afectan a sus propiedades y la distribuci´on de la temperatura, proporcionando nuevos conocimientos sobre la din´amica magn´etica estelar. Este trabajo no s´olo valida los aspectos fundamentales del modelo de Spruit, sino que ampl´ıa su alcance.

The Sun, a G2V main sequence star, serves as a representative model for all cool main sequence stars, sharing a common global structure influenced by magnetic fields, which play a crucial role in various stellar phenomena. This dissertation revisits and extends Spruit’s model, which accurately reproduces observed relative intensities at the solar surface by incorporating thermodynamic considerations and magnetic fields. Despite its simplicity, Spruit’s model provides significant insights into the physical mechanisms behind these observations and facilitates the parameterisation of flux tube models, which are essential for understanding stellar magnetic activity. In contrast, three-dimensional realistic simulations, while comprehensive in accounting for a wide range of physical processes, often obscure the underlying mechanisms due to their complexity. This work aims to clarify the details and methods behind Spruit’s model by re-implementing it using modern numerical methods to analyse its dependence on parameters specific to different stellar types and chemical compositions. The methodology involves a detailed study of Spruit’s setup, the introduction of advanced numerical schemes, followed by an in-depth study of radiative transfer. Our updated implementation significantly extends the applicability of Spruit’s model to other stars, providing a semi-analytical counterpart to complex simulations. This improved model allows a deeper understanding of how different parameters influence the behaviour of magnetic flux tubes in different stellar environments. The results are carefully compared with Spruit’s original findings, highlighting both similarities and differences. We also analyse how the parameters defining the flux tube affect its properties and temperature distribution, providing new insights into stellar magnetic dynamics. This work not only validates the fundamental aspects of Spruit’s model, but also extends its scope.