[論文レビュー] Using the Sun to estimate Earth-like planets detection capabilities II. Impact of plages

N. Meunier, M. Desort+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2010

Astronomical Observations and Instrumentation被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、太陽に似た星の磁気的に活発な領域（星食）が、地球型惑星を検出するために用いられる径速度（RV）測定に与える影響を調査する。1つの太陽サイクルにわたる太陽観測を用いて、星食からの光度および対流青方偏移の寄与をモデル化した結果、後者が8–10 m/sの振幅で支配的であり、補正されない限り地球質量の惑星検出が著しく困難になることが判明した。対流信号はCa II H&Kインデックスと強く相関しており、活動性補正のための潜在的診断手法が得られる。

ABSTRACT

Stellar activity produced by spots and plages affects the radial velocity (RV) signatures. Because even low activity stars would produce such a signal, it is crucial to determine how it influences our ability to detect small planetary signals such as those produced by Earth-mass planets in the habitable zone (HZ). In a recent paper, we investigated the impact of sunlike spots. We aim here to investigate the additional impact of plages. We used the spot and plage properties over a solar cycle to derive the RV that would be observed if the Sun was seen edge-on. The RV signal comes from the photometric contribution of spots and plages and from the attenuation of the convective blueshift in plages. We compared the RV signal with the signal that would be produced by an Earth-mass planet in the HZ. We find that the photometric contributions of spots and plages to the RV signal partially balance each other out, so that the residual signal is comparable to the spot signal. However, the plage contribution due to the convective blueshift attenuation dominates the total signal, with an amplitude over the solar cycle of about 8-10 m/s. This contribution is very strongly correlated with the Ca index on the long term, which may be a way to distinguish between stellar activity and a planet. Providing a very good temporal sampling and signal-to-noise ratio, the photometric contribution of plages and spots should not prevent detection of Earth-mass planets in the HZ. However, the convection contribution makes such a direct detection impossible, unless its effect can be corrected for by methods that still need to be found. We show that it is possible to identify the convection contribution if the sensitivity is good enough, for example, by using activity indicators.

研究の動機と目的

• 太陽に似た星における星食が径速度（RV）信号に与える影響を、特にハビタブルゾーンに地球質量の惑星を検出する文脈で評価すること。
• 星食の光度寄与と対流青方偏移の減衰寄与が、合計RV信号に与える寄与を分離すること。
• Ca II H&Kインデックスのような活動性指標が、星の活動性と惑星信号を区別するのに役立つかどうかを評価すること。
• 星食に起因するRV変動が支配的である場合でも、高精度のRVモニタリングが地球型惑星を検出できるかどうかを明らかにすること。

提案手法

• 本研究は、1996–2006年の1つの太陽サイクルにわたる観測された太陽の星食および sunspot データを用い、太陽を星として見たときの縁上観測を模擬する。
• 星食および黒点の光度寄与は、空間的分布、対比、時間的変化に伴う面積の変化を用いてモデル化する。
• 星食における磁場の影響による対流青方偏移の減衰は、線深さに依存する速度シフトを用いて推定され、強い線では弱い線よりもシフトが小さい。
• 合成相互相関関数（CCF）アプローチを用いて、光度寄与と対流寄与を組み合わせ、径速度時間系列を計算する。
• モデルの妥当性を検証するため、シミュレートされたRV信号を観測された太陽のRV、光度（全太陽放射）およびCa II H&Kインデックスと比較する。
• 検出性能は、1.2 AUに地球質量の惑星をシミュレートし、さまざまなサンプリングおよびノイズ条件での検出可能性を評価することでテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星食は太陽に似た星の径速度変動にどのように寄与するか。また、黒点による寄与と比べてどうか。
• RQ2 星食に起因する対流青方偏移の減衰信号の振幅と時間的挙動は何か。また、地球質量惑星検出にどのように影響するか。
• RQ3 星食に起因するRV信号はCa II H&Kインデックスと相関しているか。この相関関係は、活動性に起因するRVノイズの補正に利用可能か。
• RQ4 星食に起因するRV信号が支配的である場合でも、高精度の径速度モニタリングはハビタブルゾーンの地球型惑星を検出できるか。
• RQ5 強い線と弱い線における対流青方偏移信号のスペクトル依存性はどのように異なるか。この差は活動性診断に利用可能か。

主な発見

• 星食および黒点の光度寄与は部分的に相殺され、黒点のみの信号と同等の振幅の残差信号が残る。
• 星食に起因する対流青方偏移の減衰が合計RV信号を支配し、太陽サイクル全体で8–10 m/sの長期的振幅を示す。
• 対流青方偏移に起因する短期的RV変動は、光度寄与のみのものよりも顕著に大きい。
• 対流青方偏移信号はCa II H&Kインデックスと非常に強く相関しており、活動性補正のための診断ツールとして利用可能である可能性を示している。
• 弱い線（深さ0.5–0.95）のRV信号は455 m/s、強い線（深さ<0.5）では155 m/sであり、スペクトル依存性要因が2.7に達することが示された。
• 対流青方偏移信号が支配的である場合、1.2 AUに地球質量の惑星が存在する場合、その周期が長期的活動サイクルと重複するため、補正がなければ惑星信号は区別できず、検出が著しく困難になる。