[论文解读] Using the Sun to estimate Earth-like planets detection capabilities. III. Impact of spots and plages on astrometric detection

A.‐M. Lagrange, N. Meunier+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 7被引用 25

一句话总结

本研究利用一个太阳周期的太阳活动数据，模拟了在10 pc处以边缘视角观测的类太阳恒星上黑子和白光斑引起的天体测量信号。结果表明，这些由活动引起的天体测量变化（均方根约0.07 μas，峰值小于0.2 μas）小于1 AU处地球质量行星产生的0.3 μas信号，表明即使在中等活动水平下，恒星活动对通过天体测量法探测类地行星的干扰也极小，因此当仪器精度足够时，天体测量法是一种稳健的探测手段。

ABSTRACT

Stellar activity is a potential important limitation to the detection of low mass extrasolar planets with indirect methods (RV, photometry, astrometry). In previous papers, using the Sun as a proxy, we investigated the impact of stellar activity (spots, plages, convection) on the detectability of an Earth-mass planet in the habitable zone (HZ) of solar-type stars with RV techniques. We extend here the detectability study to the case of astrometry. We used the sunspot and plages properties recorded over one solar cycle to infer the astrometric variations that a Sun-like star seen edge-on, 10 pc away, would exhibit, if covered by such spots/bright structures. We compare the signal to the one expected from the astrometric wobble (0.3 μas) of such a star surrounded by a one Earth-mass planet in the HZ. We also briefly investigate higher levels of activity. The activity-induced astrometric signal along the equatorial plane has an amplitude of typ. less than 0.2 μas (rms=0.07 μas), smaller than the one expected from an Earth-mass planet at 1 AU. Hence, for this level of activity, the detectability is governed by the instrumental precision rather than the activity. We show that for instance a one Earth-mass planet at 1 AU would be detected with a monthly visit during less than 5 years and an instrumental precision of 0.8 μas. A level of activity 5 times higher would still allow such a detection with a precision of 0.35 μas. We conclude that astrometry is an attractive approach to search for such planets around solar type stars with most levels of stellar activity.

研究动机与目标

• 评估恒星活动（特别是黑子和白光斑）对类太阳恒星宜居带内地球质量行星天体测量探测的影响。
• 量化在10 pc处以边缘视角观测时，一个太阳周期内太阳活动引起的天体测量光心位移的幅度。
• 将所得的活动引起的天体测量信号与1 AU处地球质量行星预期产生的0.3 μas信号进行比较，以评估探测的极限。
• 检查在不同活动水平下，恒星活动是否会主导天体测量行星探测中的仪器噪声。
• 探索在存在活动和噪声的情况下，天体测量法是否仍能恢复轨道倾角和恒星自转轴方向。

提出的方法

• 利用SOHO/MDI和NOAA/USAF在1996年5月至2007年10月期间提供的每日分辨率数据，涵盖20,873个黑子群和1,803,344个明亮结构（白光斑和网络）。
• 基于观测的太阳辐照度数据推导出的温度和辐照度变化，计算了在10 pc处以边缘视角观测时，太阳因这些非均质性引起的光心位移（x, y）。
• 计算整个太阳周期以及低活动和高活动阶段的天体测量位移均方根（rms），以量化信号强度。
• 将推导出的活动引起的天体测量信号与1 AU处地球质量行星预期产生的0.3 μas信号进行比较，评估探测阈值。
• 模拟了仪器噪声水平为0.8 μas和0.35 μas的天体测量观测，包括太阳水平活动和5倍于太阳水平的活动，以评估探测的可行性。
• 通过旋转参考坐标系并测量所有角度下的均方根位移，评估恢复轨道倾角的能力，检验在噪声和不同活动水平下的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在10 pc处以边缘视角观测一个类太阳恒星时，一个太阳周期内黑子和白光斑引起的天体测量光心位移幅度是多少？
• RQ2 活动引起的天体测量信号与1 AU处地球质量行星预期产生的0.3 μas信号相比，其量级如何？
• RQ3 在恒星活动存在的情况下，特别是当仪器精度有限时，地球质量行星的天体测量探测是否仍可行？
• RQ4 恒星活动是否会显著降低从天体测量数据中确定行星轨道倾角和方向的能力？
• RQ5 当活动信号与仪器噪声相当或更小时，天体测量法是否仍能恢复行星轨道参数？

主要发现

• 在整个太阳周期内，沿赤道平面活动引起的天体测量位移的均方根为0.07 μas，峰值幅度小于0.2 μas，小于1 AU处地球质量行星产生的0.3 μas信号。
• 即使活动水平达到太阳的5倍，所产生的天体测量信号仍低于0.2 μas（均方根约0.1 μas），仍低于0.3 μas的行星信号，表明活动并非主要限制因素。
• 使用0.8 μas仪器精度，即使在太阳活动水平下，通过每月观测采样率在5年内可探测到1 AU处的地球质量行星。
• 当仪器精度为0.35 μas时，即使在5倍太阳活动水平下，探测仍可行，证实仪器精度而非恒星活动设定了探测极限。
• 天体测量数据可成功恢复行星的轨道倾角，即使行星轨道相对于赤道平面倾斜60°，通过在真实倾角处出现明显的均方根峰值得到验证。
• 若同时以10 cm/s精度进行径向速度监测，将显著有助于天体测量数据分析，因为活动引起的径向速度信号远大于天体测量信号，使径向速度成为活动诊断的更灵敏探针。