[论文解读] The CARMENES search for exoplanets around M dwarfs, No evidence for a super-Earth in a 2-day orbit around GJ 1151

M. Perger, I. Ribas+21 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 17被引用 17

一句话总结

本研究重新分析了GJ 1151（一颗中等M型矮星）的径向速度（RV）数据，以检验关于一颗质量为2.5 M⊕、轨道周期为2.02天的超级-Earth的宣称发现。结合70组新的CARMENES RV测量数据与HARPS-N和HPF的数据，作者未在2.02天周期处发现显著的周期性信号，结论认为该信号很可能是由于未建模的长期趋势和仪器间数据偏移所致。分析结果在99.9%置信水平下设定了1.50 m s⁻¹的RV半振幅上限，表明对于5天轨道周期的行星，其最小质量小于1.2 M⊕，从而排除了所提出的行星存在。

ABSTRACT

The interaction between Earth-like exoplanets and the magnetic field of low-mass host stars are considered to produce weak emission signals at radio frequencies. A study using LOFAR data announced the detection of radio emission from the mid M-type dwarf GJ 1151 that could potentially arise from a close-in terrestrial planet. Recently, the presence of a 2.5-Me planet orbiting GJ 1151 with a 2-day period has been claimed using 69 radial velocities (RVs) from the HARPS-N and HPF instruments. We have obtained 70 new high-precision RV measurements in the framework of the CARMENES M-dwarf survey and use these data to confirm the presence of the claimed planet and to place limits on possible planetary companions in the GJ 1151 system. We analyse the periodicities present in the combined RV data sets from all three instruments and calculate the detection limits for potential planets in short-period orbits. We cannot confirm the recently-announced candidate planet and conclude that the 2-day signal in the HARPS-N and HPF data sets is most probably produced by a long-term RV variability possibly arising from an outer planetary companion yet unconstrained. We calculate a 99.9% significance detection limit of 1.50 ms-1 in the RV semi-amplitude, which places upper limits of 0.7 Me and 1.2 Me to the minimum masses of any potential exoplanets with orbital periods of 1 and 5 days, respectively.

研究动机与目标

• 使用新的高精度径向速度（RV）数据，检验关于M型矮星GJ 1151周围存在一颗质量为2.5 M⊕、轨道周期为2.02天的超级-Earth的宣称发现。
• 评估此前报告的2.02天RV信号是否真实，还是由恒星长期活动或数据处理系统误差所致。
• 基于合并的RV数据集，确定在短周期轨道（GJ 1151周围）对低质量行星的探测极限。
• 评估Vedantham等人（2020年）报告的LOFAR射电发射信号是否在未确认行星信号的前提下，仍与一颗靠近的类地行星共存

提出的方法

• 在2016至2020年间，使用位于卡拉斯托天文台的CARMENES光谱仪获取了GJ 1151的70组新高精度径向速度测量数据。
• 将新获得的CARMENES数据与20组公开的HARPS-N RV数据及25组来自私人数据发布的HPF RV数据相结合，采用serval和terra处理流程确保数据处理的一致性。
• 对完整的RV数据集进行联合周期图分析与贝叶斯分析，以检测周期性信号，包括2.02天的候选行星信号。
• 在重新评估周期性之前，拟合并减去线性趋势（1.73 m s⁻¹ yr⁻¹）和长周期信号（>300天），以消除低频变异性。
• 使用自举法计算虚假警报概率，在0.1%显著性阈值下确定1至5天轨道周期范围内可检测到的最小行星质量。
• 利用残差RV散射（≈3.3 m s⁻¹）评估数据集对低振幅行星信号的敏感度。

实验结果

研究问题

• RQ1 Mahadevan等人（2021年）报告的2.02天径向速度信号是否为真实的行星信号，还是恒星活动或数据系统误差所致？
• RQ2 在增加70组新的CARMENES RV测量数据后，能否确认GJ 1151周围存在一颗质量为2.5 M⊕、轨道周期为2天的超级-Earth？
• RQ3 基于完整的RV数据集，GJ 1151周围短周期轨道（1–5天）中低质量行星的探测极限是什么？
• RQ4 如果未确认行星信号，Vedantham等人（2020年）报告的GJ 1151射电发射信号是否仍与一颗靠近的类地行星共存？

主要发现

• Mahadevan等人（2021年）报告的2.02天径向速度信号未被证实；其最可能的原因是未建模的长期趋势和仪器间数据偏移所致。
• 在合并的RV数据中识别出显著的线性趋势（1.73 m s⁻¹ yr⁻¹）和长周期信号（>300天），这些因素解释了表观周期性。
• 在去除趋势和长周期信号后，残差中未在2.02天周期处检测到显著周期性，表明不存在轨道周期为2.02天的行星的证据。
• 在99.9%置信水平下，RV半振幅的探测极限为1.50 ± 0.07 m s⁻¹，对应于1天轨道周期的最小行星质量极限为0.72 M⊕，5天轨道周期为1.23 M⊕。
• 该数据集的敏感度足以探测到比残差散射（3.3 m s⁻¹）小约2.2倍的行星信号，证实其对低质量行星具有高敏感度。
• 由于其预测信号（4.1 m s⁻¹）超过探测阈值，质量为2.5 M⊕、周期为2.02天的超级-Earth在99.9%显著性水平下被排除。