[논문 리뷰] The CARMENES search for exoplanets around M dwarfs Detection of a mini-Neptune around LSPM J2116+0234 and refinement of orbital parameters of a super-Earth around GJ 686 (BD+18 3421)

S. Lalitha, D. Baroch외 35명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 22.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 92인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 CARMENES 라디얼 속도 데이터를 바탕으로 M3.0 V 별 LSPM J2116+0234를 도는 최소 질량 11.8 M⊕인 마이너 넵투니언의 탐지 결과를 보고하며, 20년 라디얼 속도 데이터 세트를 사용하여 GJ 686(M1.0 V)의 초지구(6.6 M⊕)의 궤도 파ram을 정밀화한다. 분석은 상관 노이즈를 포함한 케플러 운동학 모델을 사용해 항성 활동을 고려하여 각각 14.44일과 15.53일 주기의 행성 신호를 확인한다.

ABSTRACT

Although M dwarfs are known for high levels of stellar activity, they are ideal targets for the search of low-mass exoplanets with the radial velocity (RV) method. We report the discovery of a planetary-mass companion around LSPM J2116+0234 (M3.0 V) and confirm the existence of a planet orbiting GJ 686 (BD+18 3421; M1.0 V). The discovery of the planet around LSPM J2116+0234 is based on CARMENES RV observations in the visual and near-infrared channels. We confirm the planet orbiting around GJ 686 by analyzing the RV data spanning over two decades of observations from CARMENES VIS, HARPS-N, HARPS, and HIRES. We find planetary signals at 14.44 and 15.53 d in the RV data for LSPM J2116+0234 and GJ 686, respectively. Additionally, the RV, photometric time series, and various spectroscopic indicators show hints of variations of 42 d for LSPM J2116+0234 and 37 d for GJ 686, which we attribute to the stellar rotation periods. The orbital parameters of the planets are modeled with Keplerian fits together with correlated noise from the stellar activity. A mini-Neptune with a minimum mass of 11.8 Me orbits LSPM J2116+0234 producing an RV semi-amplitude of 6.19 m/s, while a super-Earth of mass 6.6 Me orbits GJ 686 and produces an RV semi-amplitude of 3.0 m/s. Both LSPM J2116+0234 and GJ 686 have planetary companions populating the regime of exoplanets with masses lower than 15 Me and orbital periods <20 d.

연구 동기 및 목표

• M 왜곡성에서 낮은 질량의 외계 행성을 탐지하기 위해, 행성 질량 대비 라디얼 속도 신호가 크기 때문에 적합한 수명 가능 행성 탐색 대상이기 때문이다.
• M 왜곡성에서 발생하는 항성 활동이 라디얼 속도 변화를 통해 행성 신호를 모방할 수 있는 도전 과제를 극복하기 위해이다.
• 다양한 기기에서 확보한 장기 라디얼 속도 데이터를 융합하여 기존에 알려진 행성의 궤도 파ram 정밀도를 향상시키기 위해이다.
• 다중 에포크 라디얼 속도 측정과 활동 지표를 활용해 행성 신호와 항성 활동을 분리하기 위해이다.
• LSPM J2116+0234와 GJ 686의 항성 자전 주기를 광학적 및 스펙트로스코픽 변동성으로 결정하기 위해이다.

제안 방법

• LSPM J2116+0234에 대해 CARMENES 스펙트로그래프의 가시광선 및 가까운 적외선 채널을 사용해 라디얼 속도 측정을 확보하였다.
• GJ 686에 대해 CARMENES-VIS, HARPS-N, HARPS, HIRES의 라디얼 속도 데이터를 융합하였으며, 20년 이상의 기간을 포함한다.
• 항성 활동을 고려하기 위해 상관 노이즈를 포함한 케플러 궤도 피팅을 사용해 행성 신호를 모델링하였다.
• 비모수적 항성 변동성 모델을 적용하여 라디얼 속도 및 광학적 시간 시리즈를 동시에 피팅하였다.
• 활동 지표(예: Hα, Ca II H&K)를 사용해 라디얼 속도 변화와 상관관계를 분석하고 활동 유도 신호를 구분하였다.
• 가우시안 프로세스를 사용한 베이지안 통계 모델링을 통해 항성 자기장 활동으로 인한 상관 노이즈를 고려했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LSPM J2116+0234의 라디얼 속도 데이터에서 14.44일 주기의 행성 신호는 진정으로 행성에 기인한 것인지, 항성 활동과 구분 가능한가?
• RQ2 20년 이상의 관측 데이터를 포함한 통합 데이터 세트를 사용해 GJ 686의 초지구 궤도 파ram을 정밀화할 수 있는가?
• RQ3 LSPM J2116+0234와 GJ 686의 항성 자전 주기는 무엇이며, 관측된 라디얼 속도 변화와 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ4 GJ 686에서 15.53일 주기의 행성 신호는 단일 행성 모델과 일치하는가, 아니면 추가 신호가 존재하는가?
• RQ5 항성 활동으로 인한 상관 노이즈를 고려할 때, 행성의 라디얼 속도 반진경과 최소 질량은 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• LSPM J2116+0234를 도는 마이너 넵투니언은 최소 질량 11.8 M⊕, 라디얼 속도 반진경 6.19 m s⁻¹, 궤도 주기 14.44일을 가진다.
• GJ 686의 초지구 궤도 해석이 향상되어 라디얼 속도 반진경 3.02 m s⁻¹, 최소 질량 6.64 M⊕, 궤도 주기 15.5314일로 정밀화되었다.
• LSPM J2116+0234의 항성 자전 주기는 광학적 및 스펙트로스코픽 변동성 분석을 통해 42.0일로 결정되었으며, 라디얼 속도와 활동 지표에서 42일 주기 신호를 확인하였다.
• GJ 686의 항성 자전 주기는 38.4일로 추정되었으며, 라디얼 속도와 활동 지표에서 37일 주기 신호를 관측하였다.
• GJ 686의 정밀 모델링 결과, 이전 연구에서 가정한 원형 궤도와는 달리 비공식 궤도 이심률 0.077이 존재함을 시사한다.
• 두 시스템 모두 단일 행성 모델이 데이터를 더 잘 설명하지만, GJ 686 데이터에는 장기 주기 신호가 존재할 가능성이 있으며, 향후 관측이 필요하다.