[論文レビュー] Near-IR and optical radial velocities of the active M dwarf star Gl 388 (AD Leo) with SPIRou at CFHT and SOPHIE at OHP: A 2.23 day rotation period and no evidence for a corotating planet

A. Carmona, X. Delfosse+37 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2023

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 64被引用数 35

ひとこと要約

本研究では、活発なM型矮星Gl 388（AD Leo）の準同時光学（SOPHIE）および近赤外線（SPIRou）径速度（RV）測定を用い、2.23日周期のRV信号が共回転惑星に起因するのか、あるいは星間活動に起因するのかを検証した。SPIRouの高精度近赤外線RVは周期的信号を示さず（5 m s⁻¹のrms）、一方で光学RVは23.6 m s⁻¹の信号を示す。対応する近赤外線信号が存在しないことは惑星の存在を排除し、信号が星間活動に起因することを確認した。また、縦磁場（Bℓ）の分光偏光測定により、回転周期が独立に確認された。

ABSTRACT

Context: The search for extrasolar planets around the nearest M dwarfs is a crucial step towards identifying the nearest Earth-like planets. One of the main challenges in this search is that M dwarfs can be magnetically active and stellar activity can produce radial velocity (RV) signals that could mimic those of a planet. Aims: We aim to investigate whether the 2.2 day period observed in optical RVs of the nearby active M dwarf star Gl 388 (AD Leo) is due to stellar activity or to a planet that corotates with the star as suggested in the past. Methods: We obtained quasi-simultaneous optical RVs of Gl 388 from 2019 to 2021 with SOPHIE (R~75k) at the OHP in France, and near-IR RV and Stokes V measurements with SPIRou at the CFHT (R~70k). Results: The SOPHIE RV time series displays a periodic signal with a 2.23+-0.01 day period and 23.6+-0.5 m/s amplitude, which is consistent with previous HARPS observations obtained in 2005-2006. The SPIRou RV time series is flat at 5 m/s rms and displays no periodic signals. RV signals of amplitude higher than 5.3 m/s at a period of 2.23 days can be excluded with a confidence level higher than 99%. Using the modulation of the longitudinal magnetic field (Bl) measured with SPIRou, we derive a stellar rotation period of 2.2305+-0.0016 days. Conclusions: SPIRou RV measurements provide solid evidence that the periodic variability of the optical RVs of Gl 388 is due to stellar activity rather than to a corotating planet. The magnetic activity nature of the optical RV signal is further confirmed by the modulation of Bl with the same period. The SPIRou campaign on Gl 388 demonstrates the power of near-IR RV to confirm or infirm planet candidates discovered in the optical around active stars. SPIRou observations reiterate how effective spectropolarimetry is at determining the stellar rotation period.

研究の動機と目的

• 活発なM型矮星Gl 388（AD Leo）の2.23日周期径速度（RV）信号が、共回転惑星に起因するのか、星間活動に起因するのかを特定すること。
• 近赤外線（near-IR）RV測定が、惑星信号と星間活動に起因する信号を区別する上でどの程度有効であるかを検証すること。
• 縦磁場（Bℓ）の分光偏光測定を用いて、星の回転周期を独立に決定すること。
• 活発な星におけるRV信号の長期的安定性と、惑星信号を模倣する可能性を評価すること。
• 光学および近赤外線RVデータを併用することで、磁気的に活発な星における曖昧な惑星検出を解消する有効性を示すこと。

提案手法

• 2019年から2021年の間、OHPの光学エラージュースペクトログラフSOPHIE（R ~ 75,000）およびCFHTの近赤外線分光偏光計SPIRou（R ~ 70,000）を用いて、準同時で高精度な径速度（RV）測定を実施した。
• SPIRouの分光偏光モードを用いて縦磁場（Bℓ）を測定し、星間活動周期を追跡し、回転周期を推定した。
• 惑星信号は色不変（モノクロマチック）であるのに対し、活動に起因する信号は波長依存であるという事実を活用し、光学（SOPHIE）と近赤外線（SPIRou）データ間のRV信号の振幅および位相差を比較した。
• ケプラー運動モデルを用いて光学RVデータにフィットさせ、惑星信号の有意性を評価した一方で、SPIRouデータに残存する周期性の有無を検証した。
• 統計的検定を用いて、2.23日周期で振幅が5.3 m s⁻¹を超える惑星信号が99％以上の信頼度で除外された。
• Bℓの変動を用いて回転周期を検証し、HARPSおよびESPaDOnSの過去の光学および近赤外線データと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Gl 388の2.23日周期径速度信号は、共回転惑星に起因するのか、星間活動に起因するのか？
• RQ2 磁気的に活発なM型矮星において、近赤外線径速度測定は惑星信号と活動に起因する信号を区別できるか？
• RQ3 分光偏光測定による縦磁場（Bℓ）の変動は、星の回転周期を信頼性高くかつ独立に測定できるか？
• RQ4 Gl 388のRV信号は10年以上にわたり安定しているか？ これは系外惑星サーベイにおける誤検出率にどのような意味を持つのか？
• RQ5 光学データに周期的変動が見られる場合、近赤外線RVデータはどの程度、惑星信号検出の曖昧さを低減できるか？

主な発見

• SPIRouの近赤外線径速度時間系列には周期的信号が認められず、そのルート・マンスリー・スクエア（rms）散乱はわずか5 m s⁻¹にとどまり、2.23日周期での惑星信号の不在が裏付けられた。
• 2.23日周期で振幅が5.3 m s⁻¹を超える惑星信号は99％以上の信頼度で除外され、以前に提案された0.24 MJ惑星の存在は強く否定された。
• 光学SOPHIE RVデータは、23.6±0.5 m s⁻¹の振幅で安定した2.23±0.01日周期を示し、以前のHARPS観測と整合的であり、活動信号の長期的安定性を示している。
• SPIRouで測定された縦磁場（Bℓ）は2.2305±0.0016日周期で変動し、星の回転周期の独立的確認を提供するとともに、RV信号が磁気活動に直接関連していることを示した。
• 近赤外線RV信号は、光学RVに強い変動を引き起こす同じ活動特徴に感応しないことから、スポットと光球面の温度対比に起因する影響を受ける程度が小さいことが示された。
• 本研究では、分光偏光測定が、特に光度曲線が複雑な星において、光度測定とは独立して星の回転周期を測定する強力なツールであることが確認された。