[논문 리뷰] Using the Sun to estimate Earth-like planets detection capabilities. III. Impact of spots and plages on astrometric detection

A.‐M. Lagrange, N. Meunier외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 01. 13.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 7인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 10 pc 떨어진 별을 편면으로 관측할 때, 한 태양활동주기 동안의 태양활동 데이터를 사용하여 태양형 별에서 sunspot과 plages가 유도하는 천체측위 신호를 모델링한다. 그 결과, 활동성에 기인한 천체측위 변동성(rms ~0.07 μas, 피크 <0.2 μas)은 허용가능한 거주권 내 1 Earth질량 행성의 0.3 μas 신호보다 작으며, 이는 중간 수준의 활동성 조건에서도 지구형 행성을 천체측위법으로 탐지하는 데 있어 항성 활동이 거의 간섭하지 않음을 시사한다. 따라서 기 instrument 정밀도가 충분할 경우 천체측위법은 이러한 탐지에 있어 강력한 방법이 된다.

ABSTRACT

Stellar activity is a potential important limitation to the detection of low mass extrasolar planets with indirect methods (RV, photometry, astrometry). In previous papers, using the Sun as a proxy, we investigated the impact of stellar activity (spots, plages, convection) on the detectability of an Earth-mass planet in the habitable zone (HZ) of solar-type stars with RV techniques. We extend here the detectability study to the case of astrometry. We used the sunspot and plages properties recorded over one solar cycle to infer the astrometric variations that a Sun-like star seen edge-on, 10 pc away, would exhibit, if covered by such spots/bright structures. We compare the signal to the one expected from the astrometric wobble (0.3 μas) of such a star surrounded by a one Earth-mass planet in the HZ. We also briefly investigate higher levels of activity. The activity-induced astrometric signal along the equatorial plane has an amplitude of typ. less than 0.2 μas (rms=0.07 μas), smaller than the one expected from an Earth-mass planet at 1 AU. Hence, for this level of activity, the detectability is governed by the instrumental precision rather than the activity. We show that for instance a one Earth-mass planet at 1 AU would be detected with a monthly visit during less than 5 years and an instrumental precision of 0.8 μas. A level of activity 5 times higher would still allow such a detection with a precision of 0.35 μas. We conclude that astrometry is an attractive approach to search for such planets around solar type stars with most levels of stellar activity.

연구 동기 및 목표

• 태양형 별의 거주권 내 지구질량 행성의 천체측위 탐지에 대해 항성 활동(특히 sunspot과 plages)의 영향을 평가한다.
• 10 pc 거리에서 편면으로 관측되는 별에 대해, 한 태양활동주기 동안 태양 활동에 의해 유도된 천체측위 중심이동의 진폭을 정량화한다.
• 수득된 활동성에 기인한 천체측위 신호를 1 AU 거리의 1 Earth질량 행성에서 기대되는 0.3 μas 신호와 비교하여 탐지 가능성을 평가한다.
• 특히 다양한 활동 수준에서 항성 활동이 천체측위 행성 탐지의 기준 잡음보다 지배적이게 되는지 여부를 검토한다.
• 활동성과 잡음이 존재하는 상황에서도 천체측위법이 궤도 기울기와 자전축 방향을 회복할 수 있는 잠재력을 탐색한다.

제안 방법

• 1996년 5월부터 2007년 10월까지 SOHO/MDI 및 NOAA/USAF의 일일 해상도 데이터를 활용하여 20,873개의 sunspot 집단과 1,803,344개의 밝은 구조물(플라즈마 및 네트워크)의 데이터를 사용하였다.
• 관측된 태양 복사강도 데이터로부터 유도된 온도 및 복사강도 변화를 바탕으로, 10 pc 거리에서 편면으로 관측할 경우 태양의 광중심 이동(x, y)을 계산하였다.
• 전체 태양활동주기 동안 및 저활동 및 고활동 단계 동안 천체측위 이동의 제곱평균근(rms)을 계산하여 신호 강도를 정량화하였다.
• 수득된 활동성에 기인한 천체측위 신호를 1 AU 거리의 1 Earth질량 행성에서 예상되는 0.3 μas 신호와 비교하여 탐지 임계값을 평가하였다.
• 0.8 μas 및 0.35 μas의 기기 잡음 수준을 가진 천체측위 관측 시뮬레이션을 수행하였으며, 태양 수준과 5배 높은 활동 수준을 고려했으며, 탐지 가능성 평가를 수행하였다.
• 기준 기준 프레임을 회전시켜 모든 각도에서 rms 이동을 측정함으로써 궤도 기울기 복원 능력을 평가하였으며, 잡음과 다양한 활동 수준에서의 강건성 테스트를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 10 pc 거리에서 편면으로 관측되는 태양형 별에서 한 태양활동주기 동안 sunspot과 plages에 의해 유도된 천체측위 중심이동의 진폭은 얼마인가?
• RQ2 1 AU 거리의 1 Earth질량 행성에서 예상되는 0.3 μas 신호와 비교할 때 활동성에 기인한 천체측위 신호의 크기는 어떠한가?
• RQ3 특히 기기 정밀도가 제한된 상황에서 항성 활동이 존재하는 동안 지구질량 행성의 천체측위 탐지가 가능할 수 있는가?
• RQ4 항성 활동은 천체측위 데이터에서 행성 궤도 기울이기 및 방향성을 결정하는 능력을 상당히 떨어뜨리는가?
• RQ5 활동 신호가 기기 잡음과 유사하거나 더 작은 경우에도 천체측위법이 여전히 행성 궤도 매개변수를 복원할 수 있는가?

주요 결과

• 전체 태양활동주기 동안 적도 평면 방향으로 활동성에 기인한 천체측위 이동의 rms는 0.07 μas이며, 피크 진폭은 0.2 μas 미만이다. 이는 1 AU 거리의 1 Earth질량 행성에서 기대되는 0.3 μas 신호보다 작다.
• 조금 더 높은 활동 수준(태양 수준의 5배)에서도 천체측위 신호는 0.2 μas 이하(rms ~0.1 μas)에 머무르며 여전히 0.3 μas의 행성 신호 이하이므로, 활동성이 주요 제한 요소가 되지 않는 것으로 나타났다.
• 기기 정밀도가 0.8 μas일 경우, 월간 관측 주기로 5년 미만의 관측 기간으로도 태양 수준 활동 조건에서 1 Earth질량 행성은 탐지 가능하다.
• 기기 정밀도가 0.35 μas일 경우, 태양 수준의 5배 활동 조건에서도 탐지가 가능하며, 이는 기기 정밀도가 탐지 한계를 결정짓는 요소이며 항성 활동은 그렇지 않음을 확인한다.
• 천체측위 데이터는 행성 궤도가 적도 평면에 대해 60° 기울어져 있더라도 궤도 기울기를 성공적으로 복원할 수 있다. 이는 진짜 기울기 각도에서 명확한 rms 피크가 관측되었기 때문이다.
• 10 cm/s 정밀도의 동시에 수행되는 RV 관측은 천체측위 데이터 분석에 큰 도움이 된다. 활동성에 기인한 RV 신호는 천체측위 신호보다 훨씬 크므로, RV는 활동성 진단에 더 민감한 탐사 수단이기 때문이다.