[論文レビュー] Spatially resolved spectroscopy across stellar surfaces. II. High-resolution spectra across HD209458 (G0V)

Dainis Dravins, H.‐G. Ludwig+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 50被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、系外惑星の食中に得られた微小スペクトルを用いて、太陽に似た星HD 209458（G0 V）の、空間的に分解された高分解能分光測定を初めて実施した。星面全体にわたる線幅の解析により、光球層のFe I線が縁に向かって広がり、浅くなることが確認され、これは星の粒状対流において水平方向の速度が垂直方向の速度よりも大きいと予測する3次元流体力学的モデルと整合的である。

ABSTRACT

CONTEXT: High-resolution spectroscopy across spatially resolved stellar surfaces aims at obtaining spectral-line profiles that are free from rotational broadening; the gradual changes of these profiles from disk center toward the stellar limb reveal properties of atmospheric fine structure, which are possible to model with 3-D hydrodynamics. AIMS: Previous such studies have only been carried out for the Sun but are now extended to other stars. In this work, profiles of photospheric spectral lines are retrieved across the disk of the planet-hosting star HD209458 (G0V). METHODS: During exoplanet transit, stellar surface portions successively become hidden and differential spectroscopy provides spectra of small surface segments temporarily hidden behind the planet. The method was elaborated in Paper I, with observable signatures quantitatively predicted from hydrodynamic simulations. RESULTS: From observations of HD209458 with spectral resolution R=80,000, photospheric FeI line profiles are obtained at several center-to-limb positions, reaching adequately high S/N after averaging over numerous similar lines CONCLUSIONS: Retrieved line profiles are compared to synthetic line profiles. Hydrodynamic 3-D models predict, and current observations confirm, that photospheric absorption lines become broader and shallower toward the stellar limb, reflecting that horizontal velocities in stellar granulation are greater than vertical velocities. Additional types of 3-D signatures will become observable with the highest resolution spectrometers at large telescopes.

研究の動機と目的

• 太陽に限られていた空間的分解スペクトル測定を、太陽以外の主系列星に拡張すること。
• 系外惑星の食中に高分解能分光測定を実施することで、星面全体にわたる空間的分解線幅を回復できるかを検証すること。
• HD 209458の星面全域における観測された光球層線幅と、3次元流体力学的モデルから計算された合成線幅を比較すること。
• 食を自然な食掩い法として用いることで、星の大気の微細構造をプローブする可能性を検証すること。
• 将来の高分解能星面研究において、転位系を用いた観測のための観測的要件と制限要因を特定すること。

提案手法

• 系外惑星HD 209458bの食中に、星面の一部が惑星に遮られることを応用した微小分光法を用いた。
• VLT（8.2 m Kueyen望遠鏡）のUVES分光計を用いて、波長分解能 λ/Δλ ≈ 80,000 の高SN比（S/N）スペクトルを取得した。
• 中心から縁への位置（μ ≈ 0.9 から μ ≈ 1.0）ごとに複数のFe I線の平均をとることで、SN比を向上させ、ノイズを低減した。
• 異なる食位相のスペクトルを比較することで、特定の表面領域からの寄与を分離し、空間的分解線幅を再構築した。
• 観測された線幅を、HD 209458のパラメータと一致する3次元流体力学的星の大気モデルから計算された合成線幅と比較した。
• 信号のコherentlyな強化を図るため、光球層線密度の高い波長領域（例：Fe I, Fe II, Ti I, Ti II）を選択してスペクトル抽出を最適化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 系外惑星の食中に高分解能分光測定を実施することで、太陽以外の星の星面全域にわたる空間的分解線幅を回復できるか？
• RQ2 HD 209458の星面全域における観測された光球層線幅に、3次元流体力学的モデルの予測と整合する系の変化が見られるか？
• RQ3 3次元モデルが予測するように、HD 209458の縁付近の線幅が、水平方向の速度成分によって広がり、弱くなる程度はどの程度か？
• RQ4 高品位な空間的分解スペクトルを転位系から回復するにあたり、どのような機器的・観測的制限要因があるか？
• RQ5 星の線幅に現れる非対称性や波長シフトといった微細なスペクトル特徴を解明するには、将来の何の装置と観測戦略が必要か？

主な発見

• HD 209458の光球層Fe I線幅は、星の縁に向かって広がり、浅くなることが確認され、3次元流体力学的モデルの予測と一致した。
• 観測された縁から中心への線幅変化は、星の光球層において水平方向の粒状対流速度が垂直方向の速度を上回っていると予測するモデルと整合的である。
• 波長分解能 λ/Δλ ≈ 80,000 と高SN比のスペクトルは、食の光度深さが小さいにもかかわらず、測定可能な空間的分解線幅を回復するのに十分であった。
• 本手法により、非太陽星の空間的分解分光測定に、食を自然な食掩い法として用いる可能性が実証された。
• 将来の装置（例：PEPSI や ESPRESSO）では、より高い波長安定性とスペクトル分解能を備えており、3次元的特徴（例：線の非対称性、シフト）をさらに明らかにできると期待される。
• より明るい主星（例：m_V ≈ 5）を対象とすれば、SN比は10倍向上し、大気の動態に関するより詳細な解析が可能になる。