[论文解读] Near-IR and optical radial velocities of the active M dwarf star Gl 388 (AD Leo) with SPIRou at CFHT and SOPHIE at OHP: A 2.23 day rotation period and no evidence for a corotating planet

A. Carmona, X. Delfosse+37 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2023

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 64被引用 35

一句话总结

本研究利用对活跃M型矮星Gl 388（AD Leo）的准同时光学（SOPHIE）与近红外（SPIRou）径向速度（RV）测量，检验其2.23天的RV信号是否源于同步自转的行星或恒星活动。SPIRou的高精度近红外RV显示无周期性信号（均方根5 m s⁻¹），而光学RV则显示23.6 m s⁻¹的信号；近红外信号的缺失排除了行星的可能性，证实该信号源于恒星活动，且通过纵向磁场（Bℓ）的谱线偏振测量独立确认了其自转周期。

ABSTRACT

Context: The search for extrasolar planets around the nearest M dwarfs is a crucial step towards identifying the nearest Earth-like planets. One of the main challenges in this search is that M dwarfs can be magnetically active and stellar activity can produce radial velocity (RV) signals that could mimic those of a planet. Aims: We aim to investigate whether the 2.2 day period observed in optical RVs of the nearby active M dwarf star Gl 388 (AD Leo) is due to stellar activity or to a planet that corotates with the star as suggested in the past. Methods: We obtained quasi-simultaneous optical RVs of Gl 388 from 2019 to 2021 with SOPHIE (R~75k) at the OHP in France, and near-IR RV and Stokes V measurements with SPIRou at the CFHT (R~70k). Results: The SOPHIE RV time series displays a periodic signal with a 2.23+-0.01 day period and 23.6+-0.5 m/s amplitude, which is consistent with previous HARPS observations obtained in 2005-2006. The SPIRou RV time series is flat at 5 m/s rms and displays no periodic signals. RV signals of amplitude higher than 5.3 m/s at a period of 2.23 days can be excluded with a confidence level higher than 99%. Using the modulation of the longitudinal magnetic field (Bl) measured with SPIRou, we derive a stellar rotation period of 2.2305+-0.0016 days. Conclusions: SPIRou RV measurements provide solid evidence that the periodic variability of the optical RVs of Gl 388 is due to stellar activity rather than to a corotating planet. The magnetic activity nature of the optical RV signal is further confirmed by the modulation of Bl with the same period. The SPIRou campaign on Gl 388 demonstrates the power of near-IR RV to confirm or infirm planet candidates discovered in the optical around active stars. SPIRou observations reiterate how effective spectropolarimetry is at determining the stellar rotation period.

研究动机与目标

• 确定活跃M型矮星Gl 388（AD Leo）中2.23天径向速度（RV）信号是由同步自转的行星引起，还是恒星活动所致。
• 检验近红外（near-IR）RV测量在区分行星信号与恒星活动特征方面的有效性。
• 利用纵向磁场（Bℓ）的谱线偏振测量独立测定恒星自转周期。
• 评估活跃恒星中RV信号的长期稳定性及其可能被误判为行星信号的潜在影响。
• 展示结合光学与近红外RV数据在解决磁性活跃恒星中模糊行星探测结果方面的实用性。

提出的方法

• 2019至2021年期间，使用位于OHP的光学阶梯光谱仪SOPHIE（R ~ 75,000）和位于CFHT的近红外谱线偏振仪SPIRou（R ~ 70,000）获取准同时的高精度径向速度（RV）测量。
• 利用SPIRou的谱线偏振模式测量纵向磁场（Bℓ），以追踪恒星活动周期并推断自转周期。
• 比较光学（SOPHIE）与近红外（SPIRou）数据中RV信号的振幅与相位，利用行星信号为无色散而活动引起的信号具有波长依赖性的特性。
• 采用开普勒建模拟光学RV数据并评估行星信号的显著性，同时在SPIRou数据中检测残余周期性。
• 应用统计检验，以超过99%的置信度排除在2.23天周期处存在振幅>5.3 m s⁻¹的行星信号。
• 通过Bℓ变化交叉验证自转周期，并与HARPS和ESPaDOnS的历史光学与近红外数据进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 Gl 388的2.23天径向速度信号是由同步自转的行星引起，还是恒星活动所致？
• RQ2 近红外径向速度测量能否在磁性活跃的M型矮星中区分行星信号与活动引起的信号？
• RQ3 谱线偏振测量得到的纵向磁场（Bℓ）变化是否能提供可靠且独立的恒星自转周期测量？
• RQ4 Gl 388的RV信号在十余年时间尺度上是否稳定？这对系外行星巡天中的假阳性检测率有何启示？
• RQ5 当光学数据表现出周期性变化时，近红外RV数据在多大程度上可减少行星信号探测的模糊性？

主要发现

• SPIRou近红外径向速度时间序列未显示任何周期性信号，其均方根抖动仅为5 m s⁻¹，证实2.23天周期处不存在行星信号。
• 可以以超过99%的置信度排除在2.23天周期处存在振幅>5.3 m s⁻¹的行星信号，强烈否定此前提出的0.24 MJ行星的存在。
• 光学SOPHIE RV数据表现出稳定的2.23±0.01天周期，振幅为23.6±0.5 m s⁻¹，与早期HARPS观测一致，表明活动信号具有长期稳定性。
• SPIRou测量的纵向磁场（Bℓ）以2.2305±0.0016天的周期变化，为恒星自转周期提供了独立确认，并将RV信号直接与磁活动联系起来。
• 近红外RV信号对产生强烈光学RV变化的活动特征不敏感，表明近红外RV受黑子与光球温度对比的影响较小。
• 本研究证实，谱线偏振测量是独立测定恒星自转周期的有力工具，尤其适用于光变行为复杂的恒星。