[论文解读] The CARMENES search for exoplanets around M dwarfs Detection of a mini-Neptune around LSPM J2116+0234 and refinement of orbital parameters of a super-Earth around GJ 686 (BD+18 3421)

S. Lalitha, D. Baroch+35 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 92被引用 8

一句话总结

本研究基于CARMENES径向速度数据，报告了在M3.0 V型恒星LSPM J2116+0234周围探测到一颗最小质量为11.8 M⊕的迷你海王星，并利用为期20年的径向速度数据集，对GJ 686（M1.0 V型）周围一颗超级-Earth的轨道参数进行了精化。分析通过使用带有相关噪声的开普勒轨道模型来考虑恒星活动的影响，确认了分别位于14.44天和15.53天的行星信号。

ABSTRACT

Although M dwarfs are known for high levels of stellar activity, they are ideal targets for the search of low-mass exoplanets with the radial velocity (RV) method. We report the discovery of a planetary-mass companion around LSPM J2116+0234 (M3.0 V) and confirm the existence of a planet orbiting GJ 686 (BD+18 3421; M1.0 V). The discovery of the planet around LSPM J2116+0234 is based on CARMENES RV observations in the visual and near-infrared channels. We confirm the planet orbiting around GJ 686 by analyzing the RV data spanning over two decades of observations from CARMENES VIS, HARPS-N, HARPS, and HIRES. We find planetary signals at 14.44 and 15.53 d in the RV data for LSPM J2116+0234 and GJ 686, respectively. Additionally, the RV, photometric time series, and various spectroscopic indicators show hints of variations of 42 d for LSPM J2116+0234 and 37 d for GJ 686, which we attribute to the stellar rotation periods. The orbital parameters of the planets are modeled with Keplerian fits together with correlated noise from the stellar activity. A mini-Neptune with a minimum mass of 11.8 Me orbits LSPM J2116+0234 producing an RV semi-amplitude of 6.19 m/s, while a super-Earth of mass 6.6 Me orbits GJ 686 and produces an RV semi-amplitude of 3.0 m/s. Both LSPM J2116+0234 and GJ 686 have planetary companions populating the regime of exoplanets with masses lower than 15 Me and orbital periods <20 d.

研究动机与目标

• 探测M型矮星周围的低质量系外行星，因其每单位行星质量产生的径向速度信号较强，是寻找宜居行星的理想目标。
• 克服M型矮星中恒星活动带来的挑战，因为其活动可能通过径向速度变化模仿行星信号。
• 通过整合多个仪器的长期基线径向速度数据，提高已知行星轨道参数的精度。
• 利用多历元径向速度测量和活动指标，将行星信号与恒星活动分离。
• 利用光变和光谱变异性确定LSPM J2116+0234和GJ 686的恒星自转周期。

提出的方法

• 针对LSPM J2116+0234，使用CARMENES光谱仪在可见光和近红外波段获取径向速度测量数据。
• 将CARMENES-VIS、HARPS-N、HARPS和HIRES的径向速度数据合并，用于GJ 686，时间跨度超过二十年。
• 采用带有相关噪声的开普勒轨道拟合模型来建模行星信号，以考虑恒星活动的影响。
• 应用非参数化恒星变异性模型，同时拟合径向速度和光变时间序列。
• 使用活动指标（如Hα、Ca II H&K）与径向速度变化相关联，以区分由活动引起的信号。
• 采用贝叶斯统计建模与高斯过程，以考虑恒星磁活动引起的关联噪声。

实验结果

研究问题

• RQ1 LSPM J2116+0234的径向速度数据中14.44天的行星信号是否代表真实的系外行星，且可否与恒星活动相区分？
• RQ2 能否利用超过20年观测数据的联合数据集，对GJ 686周围超级-Earth的轨道参数进行精化？
• RQ3 LSPM J2116+0234和GJ 686的恒星自转周期是多少，其与观测到的径向速度变化有何关联？
• RQ4 GJ 686周围15.53天的行星信号是否与单行星模型一致，还是存在额外信号？
• RQ5 在考虑恒星活动引起的关联噪声时，行星的径向速度半振幅和最小质量如何比较？

主要发现

• 一颗最小质量为11.8 M⊕的迷你海王星围绕LSPM J2116+0234运行，其径向速度半振幅为6.19 m s⁻¹，轨道周期为14.44天。
• 对GJ 686周围超级-Earth的轨道解进行了精化，径向速度半振幅为3.02 m s⁻¹，对应最小质量6.64 M⊕，轨道周期为15.5314天。
• 通过光变和光谱变异性，确定LSPM J2116+0234的恒星自转周期为42.0天，在径向速度和活动指标中均检测到42天的信号。
• GJ 686的恒星自转周期估计为38.4天，在径向速度和活动指标中检测到37天的信号。
• 对GJ 686的精化模型表明其轨道偏心率非零，为0.077，与先前研究假设的圆形轨道不同。
• 数据支持两个系统均为单行星模型，但GJ 686数据中可能存在一个长周期信号，需进一步观测验证。