[논문 리뷰] 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. Delfosse외 37명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 29.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 64인용 수 35

한 줄 요약

이 연구는 활성 M 왜성 Gl 388 (AD Leo)의 2.23일 주기의 고속도 신호가 공전하는 행성인지, 아니면 항성 활동 때문인지 확인하기 위해, 2019년에서 2021년 사이에 OHP의 고속도 스펙트로그래프 SOPHIE(광학 영역, R ~ 75,000)와 CFHT의 near-IR 스펙트로폴라미터 SPIRou(R ~ 70,000)를 이용해 동시에 측정한 고정밀 고속도 데이터를 사용한다. SPIRou의 near-IR 고속도 측정치는 주기적 신호를 보이지 않으며, 루트 평균 제곱 편차가 5 m s⁻¹ 이하이므로 행성 신호가 존재하지 않음을 확인한다. 반면, 광학 고속도 데이터는 23.6 m s⁻¹의 주기적 신호를 보이며, near-IR에서의 해당 신호가 존재하지 않는다는 점은 행성 신호의 존재를 배제하고, 신호가 항성 활동에 기인함을 확인한다. 이는 SPIRou로 측정한 縦방향 자기장(Bℓ)의 스펙트로폴라미터 측정을 통해 항성의 자전 주기가 독립적으로 확인된 바와 일치한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 활성 M 왜성 Gl 388 (AD Leo)의 2.23일 주기 고속도 신호가 공전하는 행성인지, 아니면 항성 활동 때문인지 확인하는 것.
• near-IR 고속도 측정이 행성 신호와 항성 활동에 의한 신호를 구분하는 데 얼마나 효과적인지 테스트하는 것.
• 세로 방향 자기장(Bℓ)의 스펙트로폴라미터 측정을 통해 항성 자전 주기를 독립적으로 측정하는 것.
• 활성 항성에서 고속도 신호의 장기적 안정성과 행성 신호를 모방할 수 있는 잠재적 가능성 평가.
• 광학 및 near-IR 고속도 데이터를 융합하여 자기장 활동이 강한 항성에서 애매한 행성 탐지 결과를 해결하는 데의 유용성 입증.

제안 방법

• 2019년에서 2021년 사이에 OHP의 광학 에카렐 스펙트로그래프 SOPHIE(R ~ 75,000)와 CFHT의 near-IR 스펙트로폴라미터 SPIRou(R ~ 70,000)를 이용해 고정밀 고속도 측정을 동시에 수행하였다.
• SPIRou의 스펙트로폴라미터 모드를 사용해 세로 방향 자기장(Bℓ)을 측정하여 항성 활동 주기와 자전 주기를 추론하였다.
• 행성 신호는 색수차 없이 일정하지만, 항성 활동에 의한 신호는 파장에 따라 달라지므로, 광학(SOPHIE)과 near-IR(SPIRou) 데이터 간의 고속도 신호 진폭과 단계를 비교하였다.
• 광학 고속도 데이터에 대해 케플러 모델링을 적용하여 행성 신호의 유의미성을 평가하였고, SPIRou 데이터에 잔류 주기성 여부도 검토하였다.
• 2.23일 주기에서 5.3 m s⁻¹ 이상의 행성 신호는 99% 이상의 신뢰수준에서 배제할 수 있도록 통계적 검증을 실시하였다.
• 역사적 HARPS 및 ESPaDOnS 데이터와의 비교를 통해 Bℓ 변화를 통해 자전 주기를 교차 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Gl 388의 2.23일 주기 고속도 신호는 공전하는 행성 때문이냐, 항성 활동 때문이냐?
• RQ2 자기장 활동이 강한 M 왜성에서 near-IR 고속도 측정이 행성 신호와 항성 활동에 의한 신호를 구분하는 데 효과적인가?
• RQ3 스펙트로폴라미터 측정을 통해 확보한 세로 방향 자기장(Bℓ) 변화는 항성 자전 주기를 신뢰할 수 있고 독립적으로 측정할 수 있는가?
• RQ4 Gl 388의 고속도 신호는 10년 이상 동안 얼마나 안정한가? 이는 외계행성 탐색에서 잘못된 신호 탐지 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 광학 데이터에서 주기적 변동성이 나타날 경우, near-IR 고속도 데이터는 얼마나 행성 신호 탐지의 애매함을 줄일 수 있는가?

주요 결과

• SPIRou near-IR 고속도 시간 시리즈는 주기적 신호를 보이지 않으며, 루트 평균 제곱 편차가 오직 5 m s⁻¹에 불과하여 2.23일 주기에서 행성 신호의 부재를 확인한다.
• 2.23일 주기에서 진폭이 5.3 m s⁻¹ 이상인 행성 신호는 99% 이상의 신뢰수준에서 배제되며, 이는 이전에 제안된 0.24 MJ 행성의 존재를 강력히 배제한다.
• 광학 SOPHIE 고속도 데이터는 23.6±0.5 m s⁻¹의 진폭과 2.23±0.01일의 안정된 주기를 보이며, 이는 이전 HARPS 관측과 일치하며 항성 활동 신호의 장기적 안정성을 시사한다.
• SPIRou로 측정한 세로 방향 자기장(Bℓ)은 2.2305±0.0016일의 주기로 변화하며, 이는 항성 자전 주기를 독립적으로 확인하고 고속도 신호가 직접적으로 자기장 활동과 연관됨을 뒷받침한다.
• near-IR 고속도 신호는 광학 고속도에 강한 영향을 주는 온도 대비가 있는 spots의 영향을 덜 받으며, 이는 near-IR 고속도 측정이 온도 대비에 의한 변동성에 덜 민감함을 보여준다.
• 이 연구는 스펙트로폴라미터가 광학 측정과 독립적으로 항성 자전 주기를 측정하는 데 매우 효과적임을 확인하였으며, 특히 광학적 밝기 변화가 복잡한 항성에 특히 유용하다.