[论文解读] The HARPS search for southern extra-solar planets XXXV. Planetary systems and stellar activity of the M dwarfs GJ 3293, GJ 3341, and GJ 3543

N. Astudillo-Defru, X. Bonfıls+14 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 43

一句话总结

本研究利用欧洲南方天文台拉西拉天文台的HARPS仪器，在约5年内对三颗M型矮星——GJ 3293、GJ 3341和GJ 3543——进行了径向速度监测。研究识别出围绕GJ 3293的两颗海王星级行星和一颗潜在超级-Earth，后者位于宜居带内；在GJ 3341周围发现一颗位于内宜居带的超级-Earth；而GJ 3543的径向速度变化则归因于恒星活动而非行星信号。

ABSTRACT

Context. Planetary companions of a fixed mass induce larger amplitude reflex motions around lower-mass stars, which helps make M dwarfs excellent targets for extra-solar planet searches. State of the art velocimeters with $\sim$1m/s stability can detect very low-mass planets out to the habitable zone of these stars. Low-mass, small, planets are abundant around M dwarfs, and most known potentially habitable planets orbit one of these cool stars. Aims. Our M-dwarf radial velocity monitoring with HARPS on the ESO 3.6m telescope at La Silla observatory makes a major contribution to this sample. Methods. We present here dense radial velocity (RV) time series for three M dwarfs observed over $\sim5$ years: GJ 3293 (0.42M$_\odot$), GJ 3341 (0.47M$_\odot$), and GJ 3543 (0.45M$_\odot$). We extract those RVs through minimum $χ^2$ matching of each spectrum against a high S/N ratio stack of all observed spectra for the same star. We then vet potential orbital signals against several stellar activity indicators, to disentangle the Keplerian variations induced by planets from the spurious signals which result from rotational modulation of stellar surface inhomogeneities and from activity cycles. Results. Two Neptune-mass planets - $msin(i)=1.4\pm0.1$ and $1.3\pm0.1M_{nept}$ - orbit GJ 3293 with periods $P=30.60\pm0.02$ d and $P=123.98\pm0.38$ d, possibly together with a super-Earth - $msin(i)\sim7.9\pm1.4M_\oplus$ - with period $P=48.14\pm0.12\;d$. A super-Earth - $msin(i)\sim6.1M_\oplus$ - orbits GJ 3341 with $P=14.207\pm0.007\;d$. The RV variations of GJ 3543, on the other hand, reflect its stellar activity rather than planetary signals.

研究动机与目标

• 利用高精度径向速度测量检测M型矮星周围的低质量行星。
• 区分行星信号与由恒星活动引起的径向速度变化。
• 表征早期M型矮星周围具有潜在宜居带行星的行星系统。
• 评估恒星活动对径向速度探测的影响，特别是接近自转谐频时的情况。
• 完善对具有类太阳金属丰度的低质量恒星周围行星发生频率的理解。

提出的方法

• 利用欧洲南方天文台3.6米望远镜上的HARPS光谱仪，在约5年内获取密集的径向速度时间序列数据。
• 通过将每条光谱与同一恒星所有光谱的高信噪比叠加谱进行最小χ²匹配，计算径向速度。
• 通过多个恒星活动指标对行星信号进行筛选，以区分开普勒运动与活动引起的噪声。
• 分析径向速度和活动指数的周期图，以识别自转周期及其混叠信号。
• 采用贝叶斯方法和虚假报警概率技术，评估信号的显著性及其在时间子集中的稳定性。
• 评估行星系统的动力学合理性，特别是靠近平均运动共振区域的情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 GJ 3293、GJ 3341和GJ 3543的径向速度信号是否源自行星伴星，还是恒星活动？
• RQ2 GJ 3293周围行星系统的轨道构型及其动力学稳定性如何？
• RQ3 所探测到的行星是否位于其主星的宜居带内？它们的最小质量是多少？
• RQ4 恒星活动指标与径向速度变化之间是否存在相关性，特别是在自转谐频附近？
• RQ5 恒星金属丰度在M型矮星周围超级-Earth和海王星级行星形成中的作用是什么？

主要发现

• 两颗海王星级行星的最小质量分别为1.4 ± 0.1 MNept和1.3 ± 0.1 MNept，分别以30.60 ± 0.02 d和123.98 ± 0.38 d的轨道周期围绕GJ 3293运行。
• 一颗潜在超级-Earth的msin(i) = 7.9 ± 1.4 M⊕，轨道周期为48.14 ± 0.12 d，位于距离0.194 AU的宜居带内。
• 一颗msin(i) ≈ 6.1 M⊕的超级-Earth以14.207 ± 0.007 d的周期围绕GJ 3341运行，位于内宜居带。
• GJ 3543的径向速度变化主要由恒星活动引起，其自转周期约为20 d，且在1.1 d和9.2 d处存在混叠信号。
• GJ 3293中48.14 d的信号在2008–2009年和2012–2013年的时间子集中保持稳定，但2010–2011年数据采样不足，无法确认其周期性。
• GJ 3293和GJ 3341系统的金属丰度为类太阳水平，支持行星发生率与恒星金属丰度无关的观测结果。