[논문 리뷰] The HARPS search for southern extra-solar planets XXXV. Planetary systems and stellar activity of the M dwarfs GJ 3293, GJ 3341, and GJ 3543

N. Astudillo-Defru, X. Bonfıls외 14명|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 25.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 43

한 줄 요약

이 연구는 약 5년간 ESO의 라 실리아 관측소에 있는 HARPS를 사용하여 세 개의 M형 항성 GJ 3293, GJ 3341, GJ 3543에 대한 근원속도 모니터링을 수행한다. GJ 3293에서는 토성질량의 행성 두 개와 허브블 영역 내 잠재적인 초지구형 행성이 확인되었으며, GJ 3341에서는 내부 허브블 영역에 초지구형 행성이 있으며, GJ 3543의 근원속도 변화는 행성 신호가 아니라 항성 활동에 기인한다.

ABSTRACT

Context. Planetary companions of a fixed mass induce larger amplitude reflex motions around lower-mass stars, which helps make M dwarfs excellent targets for extra-solar planet searches. State of the art velocimeters with $\sim$1m/s stability can detect very low-mass planets out to the habitable zone of these stars. Low-mass, small, planets are abundant around M dwarfs, and most known potentially habitable planets orbit one of these cool stars. Aims. Our M-dwarf radial velocity monitoring with HARPS on the ESO 3.6m telescope at La Silla observatory makes a major contribution to this sample. Methods. We present here dense radial velocity (RV) time series for three M dwarfs observed over $\sim5$ years: GJ 3293 (0.42M$_\odot$), GJ 3341 (0.47M$_\odot$), and GJ 3543 (0.45M$_\odot$). We extract those RVs through minimum $χ^2$ matching of each spectrum against a high S/N ratio stack of all observed spectra for the same star. We then vet potential orbital signals against several stellar activity indicators, to disentangle the Keplerian variations induced by planets from the spurious signals which result from rotational modulation of stellar surface inhomogeneities and from activity cycles. Results. Two Neptune-mass planets - $msin(i)=1.4\pm0.1$ and $1.3\pm0.1M_{nept}$ - orbit GJ 3293 with periods $P=30.60\pm0.02$ d and $P=123.98\pm0.38$ d, possibly together with a super-Earth - $msin(i)\sim7.9\pm1.4M_\oplus$ - with period $P=48.14\pm0.12\;d$. A super-Earth - $msin(i)\sim6.1M_\oplus$ - orbits GJ 3341 with $P=14.207\pm0.007\;d$. The RV variations of GJ 3543, on the other hand, reflect its stellar activity rather than planetary signals.

연구 동기 및 목표

• 고정밀 근원속도 측정을 통해 M형 항성 주위의 저질량 행성을 탐지하기 위해.
• 행성 신호와 항성 활동에 기인한 근원속도 변동을 분리하기 위해.
• 잠재적인 허브블 영역 행성을 가진 초기 M형 항성 주위의 행성계를 특성화하기 위해.
• 특히 자전 공명 주위에서의 항성 활동이 근원속도 탐지에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 태양과 유사한 금속성의 저질량 항성 주위에서 행성 발생 빈도를 보다 정교하게 이해하기 위해.

제안 방법

• 약 5년간 ESO 3.6m 망원경에 장착된 HARPS 분광계를 사용하여 밀도 높은 근원속도 시간 시리즈를 확보함.
• 각 스펙트럼를 동일 항성의 모든 스펙트럼을 조합한 고신호대비잡음비 스택에 대비하여 최소 χ² 매칭을 통해 근원속도를 계산함.
• 행성 신호와 항성 활동에 기인한 노이즈를 구분하기 위해 다수의 항성 활동 지표에 대해 행성 신호를 검토함.
• 근원속도와 활동 지표의 주기 분석을 통해 자전 주기와 앨리어스를 식별함.
• 신호의 유의성과 시간 하위집단에서의 안정성을 평가하기 위해 베이지안 및 가짜 경고 확률 기법을 사용함.
• 특히 평균 운동 공명 근처에서의 동역학적 타당성을 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GJ 3293, GJ 3341, GJ 3543의 근원속도 신호는 행성 동반체에 기인하는가 아니면 항성 활동에 기인하는가?
• RQ2 GJ 3293 주위의 행성계의 궤도 구조와 동역학적 안정성은 어떠한가?
• RQ3 탐지된 행성들은 주변 항성의 허브블 영역에 있는가, 그리고 그 최소 질량은 얼마인가?
• RQ4 항성 활동 지표는 특히 자전 공명 주위에서 근원속도 변화와 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ5 M형 항성 주위에서 초지구형 행성과 토성질량 행성의 발생에 있어 항성 금속성의 역할은 무엇인가?

주요 결과

• GJ 3293을 공전하는 두 개의 토성질량 행성은 각각 최소 질량 1.4 ± 0.1 MNept와 1.3 ± 0.1 MNept이며, 궤도 주기分别为 30.60 ± 0.02 d와 123.98 ± 0.38 d이다.
• GJ 3293을 공전하는 잠재적인 초지구형 행성은 msin(i) = 7.9 ± 1.4 M⊕이며, 궤도 주기는 48.14 ± 0.12 d이다. 이는 0.194 AU 지점에 위치하여 허브블 영역에 있다.
• GJ 3341을 공전하는 초지구형 행성은 msin(i) ≈ 6.1 M⊕이며, 궤도 주기는 14.207 ± 0.007 d이다. 이는 내부 허브블 영역에 위치한다.
• GJ 3543의 근원속도 변화는 항성 활동에 의해 지배되며, 자전 주기는 약 20 d이며, 1.1 d와 9.2 d에 앨리어스 신호가 있다.
• GJ 3293의 48.14 d 신호는 2008–2009년과 2012–2013년 데이터 하위집단에서 안정적이지만, 2010–2011년에는 주기성 확인을 위한 충분한 샘플링이 부족하여 주기성 확인이 불가능하다.
• GJ 3293과 GJ 3341 주위의 시스템은 태양과 유사한 금속성을 가지며, 이는 행성 발생 빈도가 항성 금속성과 상관관계가 없음을 뒷받침한다.