[论文解读] Precise radial velocities of giant stars. IV. A correlation between surface gravity and radial velocity variation and a statistical investigation of companion properties

S. Hekker, I. A. G. Snellen+4 more|ArXiv.org|Jan 4, 2008

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 42被引用 44

一句话总结

本研究利用利克天文台的高精度测量，调查了179颗K型巨星的径向速度（RV）变化，发现表面重力（log g）与非周期性RV散射之间存在强烈相关性，而周期性变化可能源于亚恒星伴星。结果表明，与主序F、G和K型矮星相比，K型巨星周围存在显著更多的大质量行星，且推断出的伴星质量更高、轨道周期更长。

ABSTRACT

Since 1999, we have been conducting a radial velocity survey of 179 K giants using the CAT at UCO/Lick observatory. At present ~20-100 measurements have been collected per star with a precision of 5 to 8 m/s. Of the stars monitored, 145 (80%) show radial velocity (RV) variations at a level >20 m/s, of which 43 exhibit significant periodicities. Our aim is to investigate possible mechanism(s) that cause these observed RV variations. We intend to test whether these variations are intrinsic in nature, or possibly induced by companions, or both. In addition, we aim to characterise the parameters of these companions. A relation between log g and the amplitude of the RV variations is investigated for all stars in the sample. Furthermore, the hypothesis that all periodic RV variations are caused by companions is investigated by comparing their inferred orbital statistics with the statistics of companions around main sequence stars. A strong relation is found between the amplitude of the RV variations and log g in K giant stars, as suggested earlier by Hatzes & Cochran (1998). However, most of the stars exhibiting periodic variations are located above this relation. These RV variations can be split in a periodic component which is not correlated with log g and a random residual part which does correlate with log g. Compared to main-sequence stars, K giants frequently exhibit periodic RV variations. Interpreting these RV variations as being caused by companions, the orbital param eters are different from the companions orbiting dwarfs. Intrinsic mechanisms play an important role in producing RV variations in K giants stars, as suggested by their dependence on log g. However, it appears that periodic RV variations are additional to these intrinsic variations, consistent with them being caused by companions.

研究动机与目标

• 确定K型巨星的径向速度变化是否由恒星内部过程引起，或源于亚恒星伴星。
• 研究表面重力（log g）与径向速度变化振幅之间的相关性。
• 将从K型巨星周期性RV变化中推断出的伴星轨道参数，与主序F、G和K型矮星伴星的轨道参数进行比较。
• 评估周期性RV变化由行星伴星引起而非其他机制（如脉动或黑子）的统计可能性。
• 基于伴星质量与轨道分布，评估其对行星形成理论（特别是核心吸积模型）的启示。

提出的方法

• 利用利克天文台科杜辅助望远镜上的汉密尔顿阶梯光谱仪，对179颗K型巨星的径向速度进行测量，精度达到5–8 m s⁻¹。
• 通过分析观测到的径向速度振幅与表面重力（log g）之间的相关性，以区分恒星内在的变异性与轨道反射运动。
• 使用周期图分析识别周期性RV变化，并设定显著性阈值以检测真实的周期性信号。
• 假设开普勒轨道，从周期性RV信号中推断伴星的轨道参数（半长轴、偏心率、最小质量）。
• 将推断出的伴星统计特征（质量、周期、偏心率）与现有巡天中主序F、G和K型矮星伴星的特征进行比较。
• 检查依巴基斯（Hipparcos）的光变数据，通过寻找与RV周期相关的光变，以排除黑子或脉动引起的RV变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 K型巨星的表面重力（log g）与径向速度变化振幅之间是否存在显著相关性？
• RQ2 K型巨星的周期性径向速度变化主要由亚恒星伴星引起，还是可能源于恒星内部过程？
• RQ3 从K型巨星周期性RV变化中推断出的伴星轨道参数（质量、周期、偏心率）与主序F、G和K型矮星伴星相比如何？
• RQ4 与主序星相比，K型巨星中周期性RV变化的更高发生率是否意味着演化后恒星周围存在更高频率的大质量行星？
• RQ5 能否通过光变数据将观测到的RV变化与由恒星脉动或磁性黑子引起的RV变化区分开来？

主要发现

• 发现径向速度振幅与表面重力（log g）之间存在强烈相关性，表明恒星内部过程（可能与对流或脉动有关）显著贡献于K型巨星的RV散射。
• 具有周期性RV变化的恒星主要位于log g–振幅相关性关系之上，表明周期性信号与log g相关的内在变异性是不同的。
• 在179颗K型巨星中，约80%的恒星表现出>20 m s⁻¹的RV变化，其中43颗（占24%）表现出显著的周期性，表明其周期性RV变化的发生率显著高于主序星。
• 与主序星相比，K型巨星拥有显著更高的伴星比例，其轨道周期更长、最小质量更高，表明演化恒星周围存在更高质量的行星系统。
• 推断出的K型巨星伴星的平均半长轴为数个AU，偏心率分布（主要<0.3）与矮星伴星无显著差异，尽管样本量限制了强结论的得出。
• 在依巴基斯数据中未检测到与RV周期相关的显著光变，排除了黑子引起的RV变化是周期性信号主要成因的可能性。