[論文レビュー] Impact of stellar variability on radial velocities for M dwarfs

C. Lovis|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 85

ひとこと要約

本研究は、M型矮星における磁気活動周期が径速度（RV）変動を引き起こすメカニズムを調査し、HARPSデータを用いて7年間にわたり304個のFGK型星を分析した。活動周期によって生じるRVジッターは最大で約25 m s⁻¹に達し、Ca II H&K活性指数およびライン形状パラメータと相関を示すが、同時に活動状態をモニタリングすることでこれらの影響を補正可能であり、長期間周期の系外惑星探査の精度が向上することがわかった。

ABSTRACT

Context. Searching for extrasolar planets through radial velocity measurements relies on the stability of stellar photospheres. Aims. We aim at characterizing the statistical properties of magnetic activity cycles, and studying their impact on spectroscopic measurements such as radial velocities, line bisectors and line shapes. Methods. We use data from the HARPS high-precision planet-search sample comprising 304 FGK stars followed over about 7 years. We obtain high-precision Ca II H&K chromospheric activity measurements and convert them to R'HK indices using an updated calibration taking into account stellar metallicity. We study R'HK variability as a function of time and search for possible correlations with radial velocities and line shape parameters. Results. We classify stars according to the magnitude and timescale of the Ca II H&K variability, and identify activity cycles whenever possible. We find that 39+/-8% of old solar-type stars in the solar neighborhood do not show any activity cycles (or only very weak ones), while 61+/-8% do have one. Non-cycling stars are almost only found among G dwarfs and at mean activity levels log R'HK < -4.95. Magnetic cycle amplitude generally decreases with decreasing activity level. A significant fraction of stars exhibit small variations in radial velocities and line shape parameters that are correlated with activity cycles. The sensitivity of radial velocities to magnetic cycles increases towards hotter stars, while late K dwarfs are almost insensitive. Conclusions. Activity cycles do induce long-period, low-amplitude radial velocity variations, at levels up to ~25 m/s. Caution is therefore mandatory when searching for long-period exoplanets. However, these effects can be corrected to high precision by detrending the radial velocity data using simultaneous measurements of Ca II H&K flux and line shape parameters. (Abridged)

研究の動機と目的

• 太陽型星、特にM型矮星における磁気活動周期の統計的性質を同定すること。
• これらの周期が径速度測定、ラインバイセクタースパン、およびラインプロファイル形状に与える影響を定量化すること。
• 活動に起因するRV変動が、長期間周期の系外惑星探索において惑星信号を模倣または隠蔽する可能性があるかどうかを評価すること。
• 同時に測定されたクロモスフィア活動測定値を用いてRVデータを補正する可能性を評価すること。
• RVジッターが星の表面温度、金属量、および活動レベルにどのように依存するかを特定すること。

提案手法

• ESO 3.6-m望遠鏡に搭載されたHARPS機器を用いて、高精度な径速度測定値およびCa II H&Kクロモスフィア活動測定値を取得した。
• 星の金属量を考慮した更新された手法を用いて、Sインデックス測定値を $R^{ ext{'}_{\mathrm{HK}}}$ インデックスに補正した。
• 約7年間にわたる $R^{ ext{'}_{\mathrm{HK}}}$ 変動を分析し、活動周期およびその timescales を同定した。
• RV、ラインバイセクタースパン、およびスペクトルラインの半値全幅（FWHM）と $R^{ ext{'}_{\mathrm{HK}}}$ 変動の相関を評価した。
• 活動レベルおよび周期の有無に基づいて星を分類し、周期を持つ星と持たない星を区別した。
• 磁気場による対流ブルーレッドシフト抑制およびゼーマン幅広げの可能性を含む、RV変動の物理的メカニズムをモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古くから太陽型星に見られる磁気活動周期の出現頻度はどの程度か、特にM型矮星においては？
• RQ2 磁気活動周期が径速度測定に与える影響は何か。また、誘発されるRVジッターの振幅はどの程度か？
• RQ3 RV変動がクロモスフィア活動インデックスおよびラインプロファイルパラメータとどの程度相関しているか？
• RQ4 同時に測定された $R^{ ext{'}_{\mathrm{HK}}}$ 測定値を用いて、活動に起因するRV変動を効果的に補正できるか？
• RQ5 星の表面温度および金属量に応じて、径速度が磁気周期にどれほど敏感に応答するかは？

主な発見

• 太陽系近傍の古くから太陽型星の約61 ± 8%が検出可能な磁気活動周期を示しており、残りの39 ± 8%は周期を示さない。
• 非周期的星は主に $R^{ ext{'}_{\mathrm{HK}}}$ の平均活動レベルが低いG型矮星（log $R^{ ext{'}_{\mathrm{HK}}}$ < -4.95）に多く見られ、$R^{ ext{'}_{\mathrm{HK}}}$ の周期的変動の振幅は平均活動レベルが低下するにつれて減少する傾向を示す。
• 活動周期は、特に高温の星において、長期間にわたる低振幅の径速度変動（最大で約25 m s⁻¹）を引き起こす。
• RVとライン形状パラメータ（例：FWHM、バイセクタースパン）の変動が $R^{ ext{'}_{\mathrm{HK}}}$ と相関する星が多数存在し、物理的関連性が示唆される。
• RVが磁気周期に与える感受性は、高温の星に向かって増加するが、遅れK型およびM型矮星ではほとんど感受性を示さない。
• 同時に測定された $R^{ ext{'}_{\mathrm{HK}}}$ 測定値およびラインプロファイル診断を用いることで、活動に起因するRVジッターを効果的にモデル化・補正可能であり、高精度な系外惑星探査が可能になる。