[论文解读] High Precision Radial Velocity Measurements in the Infrared: A First Assessment of the RV Stability of CRIRES

Andreas Seifahrt, H. U. Käufl|ArXiv.org|Sep 8, 2008

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 16被引用 24

一句话总结

本文评估了甚大望远镜（VLT）上CRIRES光谱仪在近红外波段的短时径向速度（RV）稳定性，结果表明利用地球大气作为本地静止参考系时，对天体线的径向速度测量稳定性为±20 m/s，对大气吸收线的稳定性为±10 m/s。研究证实CRIRES适用于高精度红外径向速度观测，尤其在结合大气吸收线或气体池校准的情况下。

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.

研究动机与目标

• 评估CRIRES光谱仪在近红外波段的固有短时径向速度稳定性。
• 研究位于4100 nm处的大气吸收线作为径向速度测量本地静止参考系的稳定性。
• 评估在高精度径向速度工作中，利用大气吸收线替代气体池校准的可行性。
• 确定仪器漂移、热效应及源对准误差对径向速度精度的影响。
• 为未来使用CRIRES开展长期径向速度监测计划建立性能基准。

提出的方法

• 在低温、自适应光学模式下，对M2II型巨星MS Vel连续进行了近5小时的在野观测，使用CRIRES光谱仪。
• 利用位于4100 nm处的大气吸收线（源自对流层低层）作为径向速度测量的本地静止参考系。
• 将MS Vel恒星的径向速度测量结果与稳定的地基大气吸收线进行比较，以评估仪器漂移与稳定性。
• 分析气体池校准数据，评估光谱仪波长解决方案的内在稳定性。
• 测量光谱仪随时间的径向速度漂移，发现4.5小时内存在缓慢的60 m/s漂移。
• 评估PSF对准偏差、导星误差及大气折射对波长校准稳定性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 CRIRES光谱仪在近红外波段的固有短时径向速度稳定性如何？
• RQ2 位于4100 nm处的大气吸收线能否作为高精度径向速度测量的稳定本地静止参考系？
• RQ3 仪器漂移（如热效应或机械形变）如何随时间影响径向速度精度？
• RQ4 在径向速度巡天中，大气吸收线在多大程度上可作为气体池校准的替代方案？
• RQ5 在AO馈源、低温运行的光谱仪（如CRIRES）中，波长偏移不确定性的主要来源是什么？

主要发现

• CRIRES的固有短时径向速度稳定性极高，4.5小时观测期间漂移最大不超过60 m/s。
• 位于4100 nm处的大气吸收线表现出±10 m/s的径向速度稳定性（相当于像素的7/1000）。
• 当使用大气吸收线作为参考系时，MS Vel巨星的径向速度测量精度达到±20 m/s。
• 在修正地球运动影响后，恒星光谱中的剩余径向速度散差≤±22 m/s，表明测量保真度极高。
• 在科学目标光谱中记录的大气吸收线不会成为高精度径向速度工作的限制因素，可作为可靠的本地静止参考系。
• 尽管气体池校准在子20 m/s精度下仍更优，但当气体池不可用或发生重叠时，大气吸收线可作为可行的替代方案。