[論文レビュー] The CARMENES search for exoplanets around M dwarfs. Variability of the He I line at 10830 \AA

B. Fuhrmeister, S. Czesla+24 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 77被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、カラハオ天文台に設置されたCARMENES分光計を用いて、319個のM型矮星における10830 Å付近のHe I赤外三重線の変動を高分解能分光法を用いて調査した。その結果、サンプルの18%が検出可能なHe I線の変動を示し、特に後期型M型矮星（M3.0 V以降）では30%を超える変動を示すなど、Hα線の発光と強く相関していた。フレア発生時には線幅の拡大、非対称性、一時的な発光が顕著に観測され、フレア発生初期には高エネルギー放射の増強が示唆された。

ABSTRACT

The He I infrared (IR) triplet at 10830 \AA is known as an activity indicator in solar-type stars and has become a primary diagnostic in exoplanetary transmission spectroscopy. He I lines are a tracer of the stellar extreme-ultraviolet irradiation from the transition region and corona. We study the variability of the He I IR triplet lines in a spectral time series of 319 M~dwarf stars that was obtained with the CARMENES high-resolution optical and near-infrared spectrograph at Calar Alto. We detect He I IR line variability in 18% of our sample stars, all of which show H$\alpha$ in emission. Therefore, we find detectable He I IR variability in 78% of the sub-sample of stars with H$\alpha$ emission. Detectable variability is strongly concentrated in the latest spectral sub-types, where the He I IR lines during quiescence are typically weak. The fraction of stars with detectable He I IR variation remains lower than 10% for stars earlier than M3.0 V, while it exceeds 30% for the later spectral sub-types. Flares are accompanied by particularly pronounced line variations, including strongly broadened lines with red and blue asymmetries. However, we also find evidence for enhanced He I IR absorption, which is potentially associated with increased high-energy irradiation levels at flare onset. Generally, He I IR and H$\alpha$ line variations tend to be correlated, with H$\alpha$ being the most sensitive indicator in terms of pseudo-equivalent width variation. This makes the He I IR triplet a favourable target for planetary transmission spectroscopy.

研究の動機と目的

• 大規模なM型矮星サンプルにおける10830 Å付近のHe I赤外三重線の分光的変動を調査すること。
• He I線の変動とHα線発光などのコアスフィア活動指標との関連を特定すること。
• 星のフレアがHe I線プロファイルの変化に与える影響および系外惑星の透過分光法に与える影響を評価すること。
• 特に星の活動が存在する状況下で、He I 10830 Å線が系外惑星の大気研究における診断ツールとしてどれほど信頼できるかを評価すること。
• 異なるM型矮星スペクトル型に応じて、静穏状態およびフレア発生時のHe I線の時間的挙動を理解すること。

提案手法

• カラハオ天文台に設置されたCARMENES分光計を用いて、319個のM型矮星の高分解能光学および近赤外分光法を取得した。
• 時間系列解析を実施し、He I 10830 Å三重線の線プロファイルおよび擬似等価幅（pEW）の時間的変動を検出した。
• He Iの変動を、発光・吸収・プロファイル非対称性を含む、同時に観測されたHα線の挙動と比較した。
• スペクトル型および回転速度（v sin i）に基づいて星を分類し、異なる星のタイプにおける変動傾向を評価した。
• フレア影響を受けるスペクトルについて、線幅拡大、赤・青非対称性、吸収から発光への遷移を分析した。
• 線強度の変動を定量化するため、擬似等価幅（pEW）測定値を用い、Hα線との相関関係を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M型矮星のうち、どれくらいの割合がHe I 10830 Å線で検出可能な変動を示し、これはスペクトル型によってどのように変化するか？
• RQ2 He I線の変動は、同じ星におけるHα線発光または変動とどのように相関しているか？
• RQ3 星のフレア発生時におけるHe I線の特徴的なスペクトル的変化は何か？また、Hα線の挙動と比較するとどうなるか？
• RQ4 なぜ一部の星ではフレア発生時のみ一時的なHe I発光が観測され、静穏状態では観測されないのか？これは活動診断にどのような含意を持つのか？
• RQ5 He I線の変動は、M型矮星の周囲の系外惑星の大気における透過分光法の信頼性にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 319個のM型矮星のうち18%が検出可能なHe I 10830 Å線の変動を示し、変動を示す全星でHα線が発光状態であった。
• Hα線が発光状態の星のうち78%が検出可能なHe I変動を示しており、両者の活動指標間に強い相関があることが示された。
• 後期型M型矮星（M3.0 V以降）ではHe I線の変動が30%を超える一方、初期期スペクトル型では10%未満にとどまった。
• フレア発生時には、He I線の大幅な幅拡大、赤・青非対称性、一時的発光が顕著に観測され、フレア発生初期に深さの増加が観察された。
• フレア発生初期にHe I線の深さが増すのは、増強されたEUVおよびX線放射により光子イオン化および再結合率が上昇するためであると推定される。
• フレアの後期段階では、He I線が吸収から発光に遷移することが多く、静穏状態に関わらず、Hα線の対称的幅拡大または赤非対称性を示すスペクトルではすべてHe I発光が観測された。