[论文解读] The CORALIE survey for southern extra-solar planets VII. Two short-period Saturnian companions to HD108147 and HD168746

F. Pepe, M. Mayor+6 more|ArXiv.org|Feb 25, 2002

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 17被引用 357

一句话总结

本论文通过在1.2米Euler望远镜上使用CORALIE光谱仪进行高精度径向速度测量，报告了两颗低质量系外行星的发现——HD 108147 b（1.34 M_Sat）和HD 168746 b（0.77 M_Sat）。研究提出了一种加权互相关技术与经过清理的数值互相关掩模，以降低光子噪声和残余大气吸收线影响，使径向速度精度提升至3 m s⁻¹以下，从而能够探测最小质量低至0.77 M_Sat的亚土星质量行星。

ABSTRACT

We present the discovery of two Saturn-mass companions to HD108147 and HD168746. Both belong to the lightest ever discovered planets. The minimum mass of the companion to HD168746 is of only 0.77 the mass of Saturn and its orbital period is 6.4 days. The companion to HD108147 orbits its parent star in 10.9 days and its minimum mass is 1.34 that of Saturn. Its orbit is characterized by a high eccentricity, e=0.50, indicating possibly the presence of a second companion. The detection of Saturn-mass planets by means of the Doppler technique demands high radial-velocity measurement precision. The two new candidates were discovered by means of the CORALIE echelle spectrograph. The instrumental accuracy of CORALIE combined with the simultaneous ThAr-reference technique has reached a level better than 3m/s. On many observed objects the precision is now limited by photon noise. We present in this paper the weighted cross-correlation technique, which leads to an improvement in the photon noise of the computed radial velocity. We discuss as well a modification of the numerical cross-correlation mask which reduces significantly the residual perturbation effects produced by telluric absorption lines.

研究动机与目标

• 通过高精度径向速度测量探测低质量系外行星，特别是亚土星质量伴星。
• 通过减少CORALIE数据中的光子噪声和残余系统误差，提高径向速度精度。
• 开发并实施加权互相关方法与改进的数值互相关掩模，以增强信号检测能力。
• 通过排除恒星活动和仪器效应，确认低振幅径向速度信号的行星性质。
• 展示CORALIE光谱仪探测迄今最轻系外行星（包括质量低于土星的行星）的能力。

提出的方法

• 将加权互相关技术应用于高分辨率光谱，以降低径向速度测量中的光子噪声。
• 开发了经过清理的数值互相关掩模，以抑制由大气吸收线引起的残余扰动。
• 通过观测光谱与代表恒星吸收线的多普勒位移掩模之间的互相关函数（CCF）计算径向速度。
• 通过将高斯函数拟合至CCF最小值来确定径向速度零点，其不确定性由光子噪声和仪器稳定性决定。
• 通过将开普勒轨道拟合至径向速度时间序列推导轨道参数，不确定性由测量误差传播得到。
• 采用ThAr参考法稳定光谱仪，实现长期径向速度精度低于3 m s⁻¹。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过改进的径向速度数据处理技术，能否提升对亚土星质量系外行星的探测能力？
• RQ2 加权互相关方法在多大程度上降低了径向速度测量中的光子噪声？
• RQ3 经过清理的数值掩模在多大程度上抑制了径向速度提取中大气吸收线的残余影响？
• RQ4 在当前数据处理改进下，使用CORALIE光谱仪可探测到的最小行星质量是多少？
• RQ5 能否将低质量行星引起的低振幅径向速度信号与恒星活动或仪器系统误差区分开来？

主要发现

• HD 168746的伴星最小质量为0.77 M_Sat，是目前已知最轻的系外行星之一，其径向速度半振幅为27 ± 1 m s⁻¹，轨道周期为6.403 ± 0.001天。
• HD 108147的伴星最小质量为1.34 M_Sat，轨道周期为10.9天，偏心率高达e = 0.50，提示可能存在与另一颗伴星的动力学相互作用。
• 加权互相关方法将径向速度测量中光子噪声的贡献降低了约1.25倍，提升了数据精度。
• 使用清理后的数值掩模显著减少了大气吸收线引起的残余扰动，提高了信号保真度。
• 在应用改进的数据处理后，HD 168746数据的径向速度弥散度从11.2 m s⁻¹降至9.8 m s⁻¹，卡方减少至1.5。
• 两颗行星均未检测到光变 transit 现象，且径向速度变化被确认为恒星起源，而非由恒星活动或仪器效应引起。