[論文レビュー] The CARMENES search for exoplanets around M dwarfs. Period search in H$α$, Na I D, and Ca II IRT lines

B. Fuhrmeister, S. Czesla+21 more|MPG.PuRe (Max Planck Society)|Jan 16, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 45被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、CARMENES分光データを用いて、M型矮星における星の回転周期を検出するため、クロモスフィア線スペクトル線（Hα、Ca II IRT、Na I D）の有効性を評価している。Ca II IRTおよびHαインデックスが周期検出に有効であることが判明し、誤検出や未検出を最小限に抑えるためにガウス過程回帰が他の手法を上回った。

ABSTRACT

We use spectra from CARMENES, the Calar Alto high-Resolution search for M dwarfs with Exo-earths with Near-infrared and optical Echelle Spectrographs, to search for periods in chromospheric indices in 16 M0 to M2 dwarfs. We measure spectral indices in the H$α$, the Ca II infrared triplet (IRT), and the Na I D lines to study which of these indices are best-suited to find rotation periods in these stars. Moreover, we test a number of different period-search algorithms, namely the string length method, the phase dispersion minimisation, the generalized Lomb-Scargle periodogram, and the Gaussian process regression with quasi-periodic kernel. We find periods in four stars using H$α$ and in five stars using the Ca II IRT, two of which have not been found before. Our results show that both H$α$ and the Ca II IRT lines are well suited for period searches, with the Ca II IRT index performing slightly better than H$α$. Unfortunately, the Na I D lines are strongly affected by telluric airglow, and we could not find any rotation period using this index. Further, different definitions of the line indices have no major impact on the results. Comparing the different search methods, the string length method and the phase dispersion minimisation perform worst, while Gaussian process models produce the smallest numbers of false positives and non-detections.

研究の動機と目的

• 高分解能分光法を用いて、M型矮星における回転周期を検出するのに最も効果的なクロモスフィアスペクトルインデックスを特定すること。
• ストリング長法、位相分散最小化法、一般化されたロンブ＝スカルージュ法、ガウス過程回帰の複数の周期探索アルゴリズムが、クロモスフィアインデックス時系列に与える性能を評価すること。
• 大気干渉の影響を受けるにもかかわらず、Na I D線が周期検出に実用的かどうかを検討すること。
• 異なるインデックス定義の信頼性と周期検出の信頼性への影響を評価すること。
• 今後のM型矮星の系外惑星および星の活動研究における最適な手法と指標を提案すること。

提案手法

• CARMENES高分解能分光スペクトルからHα、Ca II IRT、Na I D線を用い、16個のM0–M2型矮星について、各星5個ずつ、合計80個の分光時系列データを構築した。
• 各スペクトルにおけるスペクトルインデックスを測定し、Hα（6564.6 Å）、Ca II IRT（8500.35 Åおよび8544.44 Å）、Na I D（5891.58 Åおよび5897.56 Å）に注目した。
• 4つの周期探索アルゴリズムを適用：ストリング長法、位相分散最小化法、一般化されたロンブ＝スカルージュ法、および準周期的カーネルを用いたガウス過程回帰。
• Ca II IRTの信号の一貫性を向上させるために、$I_{{Ca extsc{ii}},1}$インデックス（3本のIRTラインにおける平均フラックス）を用いた。
• 誤検出と未検出の数を比較することで、各手法とインデックスの結果を評価した。
• 大気中のテルルリックエアグラウの影響がNa I D線に与える影響、およびデータ品質と周期回復への影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Hα、Ca II IRT、Na I Dのうち、どのクロモスフィアスペクトルインデックスがM型矮星における回転周期検出に最も信頼性が高いか？
• RQ2 ストリング長法、位相分散最小化法、一般化されたロンブ＝スカルージュ法、ガウス過程回帰といった異なる周期探索アルゴリズムは、真の周期の検出と誤検出の回避において、どのように比較されるか？
• RQ3 テルルリックエアグラウによる汚染が、Na I D線の測定と周期回復にどの程度影響を及えるか？
• RQ4 同じスペクトルインデックス（例：Ca II IRT）の異なる定義は、他の定義と比べて顕著に効果的であるか？
• RQ5 ガウス過程回帰は、事前ホワイトニングを行わずに長期的な星の活動を効果的にモデル化できるか？また、従来の手法と比較してどうか？

主な発見

• Hαを用いて4つの星、Ca II IRTを用いて5つの星で回転周期が正常に検出され、そのうち2つの周期は以前に報告されていなかった。
• Ca II IRTインデックスは、Hαよりも周期検出において優れており、特に弱い手法を用いた場合、誤検出が少なく、断続的な周期の回復も良好であった。
• Na I D線は、強力で変動が激しいテルルリックエアグラウと低振幅の変動の影響を受けるため、周期検出に不適切であり、成功した検出はなかった。
• 準周期的カーネルを用いたガウス過程回帰は、誤検出と未検出の数が最も少なく、他のすべての手法を上回った。
• ストリング長法と位相分散最小化法は、誤検出と未検出の数が多く、最も成績が悪かった。
• $I_{{Ca extsc{ii}},1}$インデックスは、他のインデックス定義よりもわずかに優れた性能を示し、特に信頼性の低い手法を用いた場合に顕著であった。