[论文解读] The CARMENES search for exoplanets around M dwarfs: High-resolution optical and near-infrared spectroscopy of 324 survey stars

A. Reiners, M. Zechmeister+171 more|LA Referencia (Red Federada de Repositorios Institucionales de Publicaciones Científicas)|Nov 17, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 86被引用 105

一句话总结

论文提出了 CARMENES M-dwarf 调查样本的 324 颗恒星，提供高分辨 Optical/NIR 光谱并分析径向速度、旋转和活动性，以评估不同波长下的 RV 精度。

ABSTRACT

The CARMENES radial velocity (RV) survey is observing 324 M dwarfs to search for any orbiting planets. In this paper, we present the survey sample by publishing one CARMENES spectrum for each M dwarf. These spectra cover the wavelength range 520--1710nm at a resolution of at least $R > 80,000$, and we measure its RV, H$α$ emission, and projected rotation velocity. We present an atlas of high-resolution M-dwarf spectra and compare the spectra to atmospheric models. To quantify the RV precision that can be achieved in low-mass stars over the CARMENES wavelength range, we analyze our empirical information on the RV precision from more than 6500 observations. We compare our high-resolution M-dwarf spectra to atmospheric models where we determine the spectroscopic RV information content, $Q$, and signal-to-noise ratio. We find that for all M-type dwarfs, the highest RV precision can be reached in the wavelength range 700--900nm. Observations at longer wavelengths are equally precise only at the very latest spectral types (M8 and M9). We demonstrate that in this spectroscopic range, the large amount of absorption features compensates for the intrinsic faintness of an M7 star. To reach an RV precision of 1ms$^{-1}$ in very low mass M dwarfs at longer wavelengths likely requires the use of a 10m class telescope. For spectral types M6 and earlier, the combination of a red visual and a near-infrared spectrograph is ideal to search for low-mass planets and to distinguish between planets and stellar variability. At a 4m class telescope, an instrument like CARMENES has the potential to push the RV precision well below the typical jitter level of 3-4ms$^{-1}$.

研究动机与目标

• 引入 CARMENES GTO 样本中的 324 颗 M-dwarf 星并发布每颗星的一份高分辨光谱。
• 提供覆盖 520–1710 nm 的高分辨 M-dwarf 光谱图集，并与大气模型进行比较。
• 量化作为波长函数的径向速度精度与信息量（Q）在 M-dwarf 中的表现。
• 测量恒星自转（v sin i）与 H-alpha 活跃性，以研究与活动相关的 RV 跳动。
• 将绝对径向速度标定至 Gaia RV 标准，并为低质量恒星的行星搜索奠定基础。

提出的方法

• 使用 CARMENES VIS（分辨率约 R~94,600，覆盖 520–960 nm）和 NIR（分辨率约 R~80,400，覆盖 960–1710 nm）进行观测。
• 采用最佳提取数据处理与逐阶交叉相关法来推导 RV 和 v sin i。
• 将每颗星的光谱进行合并以获得高信噪并计算相对于模板参考的平均 RV。
• 对 RV 信息量（Q）及在不同波长的光谱 RV 精度进行经验性评估。
• 通过将绝对 RV 与 Gaia RV 标准星（Soubiran 等，2013）联系进行标定。
• 将观测光谱与 PHOENIX 大气模型进行比较，以评估线表和分子特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 CARMENES 对 M-dwarf 的信息含量与可实现的 RV 精度在波长上的依赖关系为何？
• RQ2 哪些光谱区间对不同的 M-dwarf 亚型（M0–M9）提供最多的 RV 信息？
• RQ3 恒星活动性（H-alpha）和自转（v sin i）如何影响 VIS 与 NIR 通道的 RV 测量？
• RQ4 当前的大气模型在 520–1710 nm 区间再现高分辨率 M-dwarf 光谱的程度如何？

主要发现

• 所有类型的 M-dwarf 在 700–900 nm 区间可获得最高的 RV 精度。
• 在更长波长下的观测只有对最新的光谱类型（M8–M9）才具有可比的 RV 精度。
• 在非常晚的 M-dwarf 上，在较长波长实现 1 m s−1 的 RV 精度可能需要 10 m 级望远镜。
• 在 4 m 级望远镜下，类似 CARMENES 的仪器可以将 RV 精度推至远低于通常的抖动水平 3–4 m s−1。
• 324 颗星中有 75 颗显示出显著的自旋展宽（v sin i > 2 km s−1）并且与 H-alpha 发射存在活跃相关性。
• 绝对 RV 已标定到 Gaia RV 标准，与文献值在共享目标上一致性大约在 ~100 m s−1 内。
• 该调查提供高分辨率 M-dwarf 光谱图集，并为每颗星发布一份光谱供社区使用。