[논문 리뷰] High Precision Radial Velocity Measurements in the Infrared: A First Assessment of the RV Stability of CRIRES

Andreas Seifahrt, H. U. Käufl|ArXiv.org|2008. 09. 08.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 16인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 VLT의 CRIRES 분광계의 단기적 복사속도(RV) 안정성을 평가하며, 대기 중의 천체선을 국소 기준 프레임으로 사용할 경우 ±10 m/s의 안정성을 보이며, 별의 RV 측정에서는 ±20 m/s의 안정성을 확보한다. 연구는 CRIRES가 고정밀 적외선 RV 작업에 적합함을 확인하며, 특히 천체선 또는 가스 셀 캘리브레이션과 함께 사용할 경우에 유용함을 시사한다.

ABSTRACT

High precision radial velocity (RV) measurements in the near infrared are on high demand, especially in the context of exoplanet search campaigns shifting their interest to late type stars in order to detect planets with ever lower mass or targeting embedded pre-main-sequence objects. ESO is offering a new spectrograph at the VLT -- CRIRES -- designed for high resolution near-infrared spectroscopy with a comparably broad wavelength coverage and the possibility to use gas-cells to provide a stable RV zero-point. We investigate here the intrinsic short-term RV stability of CRIRES, both with gas-cell calibration data and on-sky measurements using the absorption lines of the Earth's atmosphere imprinted in the source spectrum as a local RV rest frame. Moreover, we also investigate for the first time the intrinsic stability of telluric lines at 4100 nm for features originating in the lower troposphere. Our analysis of nearly 5 hours of consecutive observations of MS Vel, a M2II bright giant centred at two SiO first overtone band-heads at 4100 nm, demonstrates that the intrinsic short-term stability of CRIRES is very high, showing only a slow and fully compensateable drift of up to 60 m/s after 4.5 hours. The radial velocity of the telluric lines is constant down to a level of approx. +/- 10 m/s (or 7/1000 of one pixel). Utilising the same telluriclines as a rest frame for our radial velocity measurements of the science target, we obtain a constant RV with a precision of approx. +/- 20 m/s for MS Vel as expected for a M-giant.

연구 동기 및 목표

• 근적외선 영역에서 CRIRES 분광계의 내재적 단기 복사속도 안정성을 평가하기 위해.
• 4100 nm에서의 천체 흡수선이 RV 측정의 국소 기준 프레임으로서의 안정성을 조사하기 위해.
• 고정밀 RV 작업에서 가스 셀 캘리브레이션의 대체로 대기 흡수선을 사용할 수 있는지 타당성을 평가하기 위해.
• 장치의 드리프트, 열적 영향 및 소스 정렬 오차가 RV 정밀도에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 향후 CRIRES를 이용한 장기적 RV 모니터링 캠프에 대한 성능 기준을 설정하기 위해.

제안 방법

• CRIRES를 냉각 및 적응형 광학 모드로 설정하여 M2II 거대 항성 MS Vel에 대해 약 5시간에 걸쳐 연속적인 천체 관측을 수행함.
• 저권대에서 기인하는 4100 nm에서의 천체 흡수선을 복사속도 측정의 국소 기준 프레임으로 사용함.
• MS Vel의 RV 측정값을 안정적인 천체선과 비교하여 장치의 드리프트 및 안정성을 평가함.
• 분광계의 파장 해상도의 내재적 안정성을 평가하기 위해 가스 셀 캘리브레이션 데이터를 분석함.
• 시간에 따른 분광계의 복사속도 드리프트를 측정하여 4.5시간 동안 약 60 m/s의 느린 드리프트를 확인함.
• PSF 정렬 오차, 가이드 오차 및 대기 굴절이 파장 캘리브레이션 안정성에 미치는 영향을 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CRIRES 분광계의 근적외선 영역에서의 내재적 단기 복사속도 안정성은 얼마인가요?
• RQ2 4100 nm에서의 천체 흡수선은 고정밀 RV 측정의 안정적인 국소 기준 프레임으로서 기능할 수 있나요?
• RQ3 장치의 드리프트, 예를 들어 열적 또는 유연성 효과 등이 시간이 지남에 따라 RV 정밀도에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ4 대기 천체선은 RV 조사에서 가스 셀 캘리브레이션의 대체로 어느 정도 활용될 수 있나요?
• RQ5 AO를 통해 공급되는 냉각 분광계인 CRIRES와 같은 장치에서 파장 이동 불확실성의 주요 원인 요소는 무엇인가요?

주요 결과

• CRIRES의 내재적 단기 RV 안정성은 매우 높으며, 관측 4.5시간 동안 최대 60 m/s의 느린 드리프트를 보임.
• 4100 nm에서의 천체 흡수선은 ±10 m/s의 복사속도 안정성을 보이며(1000분의 7 해상도), 안정함을 입증함.
• 천체선을 기준 프레임으로 사용할 경우 M2II 거대 항성 MS Vel의 복사속도는 ±20 m/s의 정밀도로 측정됨.
• 지구 운동 보정 후 항성 스펙트럼의 잔여 RV 산란은 ≤ ±22 m/s 이하로 유지되어 높은 측정 정밀도를 나타냄.
• 과학 대상 스펙트럼에 인쇄된 천체선은 고정밀 RV 작업의 제한 요소가 되지 않으며, 신뢰할 수 있는 국소 기준 프레임으로 기능함.
• 가스 셀 캘리브레이션은 20 m/s 이하 정밀도에서 여전히 우수하지만, 가스 셀이 이용 불가능하거나 혼합되는 경우 천체선이 실용적인 대체 수 Mittel이 됨.