[论文解读] The CARMENES search for exoplanets around M dwarfs. Period search in H$α$, Na I D, and Ca II IRT lines

B. Fuhrmeister, S. Czesla+21 more|MPG.PuRe (Max Planck Society)|Jan 16, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 45被引用 10

一句话总结

本研究利用CARMENES光谱数据，评估了色球层发射线——Hα、Ca II IRT和Na I D——在M型矮星中检测恒星自转周期的效能。研究发现，Ca II IRT和Hα指数在周期检测中表现良好，其中高斯过程回归在减少误报和漏检方面优于其他方法。

ABSTRACT

We use spectra from CARMENES, the Calar Alto high-Resolution search for M dwarfs with Exo-earths with Near-infrared and optical Echelle Spectrographs, to search for periods in chromospheric indices in 16 M0 to M2 dwarfs. We measure spectral indices in the H$α$, the Ca II infrared triplet (IRT), and the Na I D lines to study which of these indices are best-suited to find rotation periods in these stars. Moreover, we test a number of different period-search algorithms, namely the string length method, the phase dispersion minimisation, the generalized Lomb-Scargle periodogram, and the Gaussian process regression with quasi-periodic kernel. We find periods in four stars using H$α$ and in five stars using the Ca II IRT, two of which have not been found before. Our results show that both H$α$ and the Ca II IRT lines are well suited for period searches, with the Ca II IRT index performing slightly better than H$α$. Unfortunately, the Na I D lines are strongly affected by telluric airglow, and we could not find any rotation period using this index. Further, different definitions of the line indices have no major impact on the results. Comparing the different search methods, the string length method and the phase dispersion minimisation perform worst, while Gaussian process models produce the smallest numbers of false positives and non-detections.

研究动机与目标

• 利用高分辨率光谱识别在M型矮星中检测自转周期最有效的色球层光谱指数。
• 评估多种周期搜索算法——字符串长度法、相位分散最小化法、广义Lomb-Scargle周期图和高斯过程回归——在色球层指数时间序列上的表现。
• 确定尽管存在大气干扰，Na I D线是否仍适用于周期检测。
• 评估不同指数定义的稳健性及其对周期检测可靠性的影响。
• 为未来M型矮星系外行星和恒星活动研究推荐最优方法与指标。

提出的方法

• 从16颗M0–M2型矮星中，利用CARMENES高分辨率光谱中的Hα、Ca II IRT和Na I D线，构建了80个光谱时间序列（每颗星5个）。
• 在每条光谱中测量光谱指数，重点关注Hα（6564.6 Å）、Ca II IRT（8500.35和8544.44 Å）和Na I D（5891.58和5897.56 Å）。
• 应用四种周期搜索算法：字符串长度法、相位分散最小化法、广义Lomb-Scargle周期图法，以及采用拟周期核的高斯过程回归。
• 使用$ I_{{Ca extsc{ii}},1} $指数表示Ca II IRT，定义为三条IRT线平均通量，以提升信号一致性。
• 通过比较不同方法和指数下的误报和漏检情况，评估结果。
• 评估地基空气辉光对Na I D线的影响及其对数据质量和周期恢复的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在M型矮星中，哪种色球层光谱指数——Hα、Ca II IRT或Na I D——能提供最可靠的自转周期检测？
• RQ2 不同周期搜索算法（字符串长度法、相位分散法、广义Lomb-Scargle法、高斯过程法）在检测真实周期和避免误报方面表现如何比较？
• RQ3 地基空气辉光污染在多大程度上影响Na I D线测量和周期恢复？
• RQ4 同一光谱指数的不同定义（如Ca II IRT）是否显著优于其他定义？
• RQ5 高斯过程回归能否在无需预白化的情况下有效建模长期恒星活动？其与传统方法相比表现如何？

主要发现

• 成功在四颗恒星中通过Hα检测到自转周期，在五颗恒星中通过Ca II IRT检测到自转周期，其中两个周期为此前未报告的新发现。
• Ca II IRT指数在周期检测中优于Hα，尤其在使用较弱方法时，表现出更少的误报和更好的可疑周期恢复能力。
• 由于强且可变的地基空气辉光干扰以及信号振幅较低，Na I D线不适用于周期检测，未获得任何成功检测结果。
• 采用拟周期核的高斯过程回归产生的误报和漏检最少，优于所有其他方法。
• 字符串长度法和相位分散最小化法表现最差，误报和漏检数量均较高。
• $ I_{{Ca extsc{ii}},1} $指数在Ca II IRT中表现略优，尤其在使用较不稳健的方法时。