[論文レビュー] High Precision Radial Velocity Measurements in the Infrared: A First Assessment of the RV Stability of CRIRES

Andreas Seifahrt, H. U. Käufl|ArXiv.org|Sep 8, 2008

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 16被引用数 24

ひとこと要約

本論文は、VLTに搭載されたCRIRES分光計の短期的な径速度（RV）安定性を評価し、大気中の地球を基準フレームとして用いる場合、大気線で±10 m/s、星のRV測定で±20 m/sの安定性を示した。この研究は、CRIRESが高精度赤外RV作業に適していることを確認しており、特に大気線またはガスセルキャリブレーションを併用した場合に有効である。

ABSTRACT

High precision radial velocity (RV) measurements in the near infrared are on high demand, especially in the context of exoplanet search campaigns shifting their interest to late type stars in order to detect planets with ever lower mass or targeting embedded pre-main-sequence objects. ESO is offering a new spectrograph at the VLT -- CRIRES -- designed for high resolution near-infrared spectroscopy with a comparably broad wavelength coverage and the possibility to use gas-cells to provide a stable RV zero-point. We investigate here the intrinsic short-term RV stability of CRIRES, both with gas-cell calibration data and on-sky measurements using the absorption lines of the Earth's atmosphere imprinted in the source spectrum as a local RV rest frame. Moreover, we also investigate for the first time the intrinsic stability of telluric lines at 4100 nm for features originating in the lower troposphere. Our analysis of nearly 5 hours of consecutive observations of MS Vel, a M2II bright giant centred at two SiO first overtone band-heads at 4100 nm, demonstrates that the intrinsic short-term stability of CRIRES is very high, showing only a slow and fully compensateable drift of up to 60 m/s after 4.5 hours. The radial velocity of the telluric lines is constant down to a level of approx. +/- 10 m/s (or 7/1000 of one pixel). Utilising the same telluriclines as a rest frame for our radial velocity measurements of the science target, we obtain a constant RV with a precision of approx. +/- 20 m/s for MS Vel as expected for a M-giant.

研究の動機と目的

• 近赤外域におけるCRIRES分光計の固有の短期的径速度安定性を評価すること。
• 4100 nmにおける大気吸収線の安定性が、RV測定の局所的基準フレームとして有効かどうかを調査すること。
• 高精度RV作業においてガスセルキャリブレーションの代替として大気吸収線がどの程度利用可能かを評価すること。
• 機器のドリフト、熱的影響、光源の位置合わせのずれがRV精度に与える影響を特定すること。
• 将来的なCRIRESを用いた長期的RVモニタリングキャンペーンの性能ベースラインを確立すること。

提案手法

• CRIRESを冷温・適応望遠鏡モードで使用し、M2II型巨星MS Velに対して約5時間にわたる連続地上観測を実施した。
• 対流圏下層に由来する4100 nm付近の大気吸収線を、径速度測定の局所的基準フレームとして用いた。
• 星MS VelのRV測定値と安定な大気線を比較し、機器のドリフトと安定性を評価した。
• 分光計の波長解の固有安定性を評価するためにガスセルキャリブレーションデータを分析した。
• 時間経過に伴う分光計の径速度ドリフトを測定し、4.5時間の観測で60 m/sの遅いドリフトを同定した。
• PSFのずれ、ガイドエラー、大気屈折の影響が波長キャリブレーション安定性に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CRIRES分光計の近赤外域における固有の短期的径速度安定性はどの程度か？
• RQ2 4100 nmの大気吸収線は、高精度RV測定のための安定な局所的基準フレームとして機能できるか？
• RQ3 熱的またはフレキスチャー効果などの機器ドリフトが、時間経過とともにRV精度にどのように影響を与えるか？
• RQ4 大気線をガスセルキャリブレーションの代替としてRV調査にどの程度利用できるか？
• RQ5 AO駆動・冷温分光計であるCRIRESのような装置において、波長シフトの不確実性の主な要因は何か？

主な発見

• CRIRESの固有の短期的RV安定性は極めて高く、4.5時間の観測で最大60 m/sの遅いドリフトを示した。
• 4100 nmの大気吸収線は、±10 m/s（またはピクセルの7/1000）の精度で径速度安定性を示した。
• 地球の運動補正後に、大気線を基準フレームとして用いた場合、M2II型巨星MS Velの径速度は±20 m/sの精度で測定された。
• 地球の運動を補正した星のスペクトルにおける残差RV散乱は±22 m/s以下であり、測定の正確性が極めて高いことを示した。
• 科学的標本に記録された大気線は、高精度RV作業の制限要因ではなく、信頼できる局所的基準フレームとして機能する。
• ガスセルキャリブレーションは20 m/s未満の精度において依然として優れているが、ガスセルが利用不可または混合している場合には、大気線が実用的な代替手段となる。