[論文レビュー] Using the Sun to estimate Earth-like planets detection capabilities. III. Impact of spots and plages on astrometric detection

A.‐M. Lagrange, N. Meunier+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 7被引用数 25

ひとこと要約

本研究では、太陽系の1周期にわたる太陽活動データを用いて、10 pc離れた縁面視線で観測される太陽型星における sunspots および plages が引き起こす位置計測信号をモデル化した。その結果、これらの活動由来の位置計測変動（rms ≒ 0.07 μas、ピーク < 0.2 μas）は、1 AU に1地球質量の惑星が発生させる 0.3 μas の信号よりも小さいことが判明した。これは、中程度の活動レベルであっても、太陽系外の地球型惑星の検出において、星の活動がほとんど干渉しないことを示しており、機器の精度が十分に確保されていれば、位置計測法がこのような検出に耐えうる強固な手法であることを裏付けている。

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.

研究の動機と目的

• 太陽型星のハビタブルゾーンに存在する地球質量の惑星の位置計測検出に、星の活動（特に sunspots および plages）が与える影響を評価すること。
• 10 pc 離れた縁面視線の星に対して、1つの太陽周期にわたる太陽活動が引き起こす位置計測光心の変位の振幅を定量化すること（太陽の温度および放射輝度変化を観測された太陽放射輝度データから導出）。
• 得られた活動由来の位置計測信号を、1 AU に1地球質量の惑星が発生させる予想される 0.3 μas の信号と比較し、検出限界を評価すること。
• 特に活動レベルが変化する条件下で、星の活動が位置計測惑星検出における機器ノイズを上回るかどうかを検討すること。
• 活動とノイズが存在する中でも、位置計測法が軌道の傾きや自転軸の向きを回復できる可能性を検討すること。

提案手法

• SOHO/MDI および NOAA/USAF が提供する、1996年5月から2007年10月までの期間にわたる、20,873個の sunspot 群および1,803,344個の明るい構造（plages および network）の日次解像度データを用いた。
• 観測された太陽放射輝度データから導出された温度および放射輝度変化をもとに、10 pc 離れた縁面視線での太陽の光心のずれ（x, y）を計算した。
• 全太陽周期および低活動期・高活動期の各期間における位置計測ずれの二乗平均平方根（rms）を算出し、信号強度を定量化した。
• 得られた活動由来の位置計測信号を、1 AU に1地球質量の惑星が発生させる 0.3 μas の信号と比較し、検出限界を評価した。
• 0.8 μas および 0.35 μas の機器ノイズレベルを想定し、太陽レベルおよび5倍高い活動レベルを含むシミュレート観測を実施し、検出可能性を評価した。
• 参照フレームを回転させ、全角度における rms ずれを測定することで、惑星の軌道の傾きを回復できる能力を評価し、ノイズおよび活動レベルの変化に対する耐性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの太陽周期にわたる、10 pc 離れた縁面視線の太陽型星における sunspots および plages が引き起こす位置計測光心のずれの振幅はどの程度か？
• RQ2 1 AU に1地球質量の惑星が発生させる 0.3 μas の信号と比較して、活動由来の位置計測信号の大きさは？
• RQ3 特に機器の精度が限られている場合に、星の活動が地球質量の惑星の位置計測検出を妨げる可能性はあるか？
• RQ4 星の活動が、位置計測データから惑星の軌道の傾きや向きを特定する能力を著しく低下させるか？
• RQ5 活動信号が機器ノイズと同等またはそれ未満である場合でも、位置計測法が依然として惑星の軌道パラメータを回復できるか？

主な発見

• 全太陽周期にわたる赤道面方向の活動由来の位置計測ずれの rms は 0.07 μas であり、ピーク振幅は 0.2 μas 未満であった。これは、1 AU に1地球質量の惑星が発生させる 0.3 μas の信号よりも小さい。
• 太陽活動の5倍のレベルであっても、位置計測信号は 0.2 μas 未満（rms ≒ 0.1 μas）に留まり、依然として 0.3 μas の惑星信号を下回っていた。これは、活動が主な制限要因ではないことを示している。
• 0.8 μas の機器精度を有する場合、太陽活動レベル下でも月次観測サイクルで5年未満の期間で1地球質量の惑星が検出可能である。
• 0.35 μas の機器精度を有する場合、太陽活動の5倍のレベルであっても検出は可能であり、検出限界は星の活動ではなく機器精度に依存することが確認された。
• 位置計測データは、惑星の軌道が赤道面に対して60°傾いている場合でも、真の軌道傾き角度で明確なピークを示す rms の変動を示すことで、軌道の傾きを成功裏に回復できる。
• 10 cm/s の精度で同時に径速度（RV）観測を行うことで、位置計測データ解析が著しく支援される。なぜなら、活動由来の RV 信号は位置計測信号よりもはるかに大きく、RV は活動診断のためのより感度の高いプローブであるためである。