在近红外波段搜寻太阳系外行星

(本文为AstroLeaks 试稿第十六篇, 感谢国家天文台王靓的供稿. 这篇文章介绍了采用地球大气的吸收作为定标, 在近红外波段进行高精度的速度测量的方法. 作者通过对一颗已知的系外行星 — Gl 86 进行了观测验证, 证明了通过此方法在3米级别的望远镜寻找太阳系外行星的可行性. 本文也为如何使用口径较小的天文望远镜做一些前沿科学带来一些启迪. 欢迎大家就文章内容, 难度, 排版等各种问题发表您的意见和建议!)

标题:Precision radial velocities with CSHELL
作者:Christopher J. Crockett, Naved I. Mahmud, Lisa Prato, Christopher M. Johns-Krull, Daniel T. Jaffe, Charles A. Beichman
论文索引:astro-ph:1104.3804
编辑供稿: 王靓 (国家天文台)

背景介绍

在目前已经发现的500多颗(太阳)系外行星中,超过90%是用视向速度方法发现的,而它们的主星又绝大部分是光谱型为F、G、K,质量与太阳相当的矮星。在过去几年中,在低质量的M矮星周围搜寻系外行星逐渐成为大家关注的课题。一方面,低质量、低亮度的M矮星被认为是银河系中数量最多的恒星,Henry et al. 2006 估计M矮星在太阳邻域附近的恒星中所占的比例达到了70%以上。另一方面,M矮星由于质量比较低,同样质量的行星引起的视向速度的振幅比类太阳星更大。例如一颗典型的光谱型为M5的矮星,质量为0.2Msun,如果在它的适居区(Habitable zone)内有一颗地球质量的行星,那么它引起的主星视向速度的半振幅可以达到0.9m/s,大大高于地球对太阳的扰动8cm/s。这样的一颗M矮星在10pc处的V波段星等大约是12,但是由于它的有效温度比较低,SED 峰值位于近红外波段,K星等的亮度可以达到7等以上,对于8-10米级的地面光学/近红外望远镜来说足够亮,可以在近红外波段测量其视向速度。

重点问题 — 波长定标

图1. 一个充满碘(I2)蒸气的吸收盒

获取恒星的高精度视向速度的关键在于性能良好的波长定标源。已经广泛使用的精确定标源主要有两种,一种是充满碘(I2)的气体吸收盒,使用时放置在光谱仪的光路上,让星光通过这个盒子,得到的恒星光谱中就叠加了密密麻麻的碘蒸汽的谱线,用数学公式表达就是Obs(\lambda)=k[S(\lambda + \Delta \lambda) I(\lambda) * IP] &s=-2,其中Obs( \lambda) &s=-2是观测得到的光谱,IP是仪器轮廓,*代表卷积运算,S(\lambda) &s=-2I(\lambda) &s=-2分别是事先得到的高分辨率恒星光谱和碘的光谱,称为模板,k通常是一个与波长有关的多项式,反映了平场水平。通过应用非线性最小二乘拟合(NLLS)方法拟合观测光谱,就可以得到\Delta\lambda &s=-2,即恒星视向速度的反映。另外一种是使用同步定标技术,在曝光的过程中同时用光纤把钍-氩定标灯(一种常用于高分辨率光谱的波长定标源)引入到光谱仪中,记录下星光相对于钍氩灯光谱的漂移。这两种技术已将恒星的视向速度测量精度提高到了1m/s的量级。可惜的是,这两种方法在近红外波段都无能为力。碘的谱线只集中在500-600nm的可见光波段,钍-氩灯也无法在近红外波段提供足够多的可用于定标的谱线。

经典方法 — 气体吸收盒

因此,发展一种红外波段,光谱中充满密集吸收线的气体盒成为当务之急。Mahadevan & Ge (2009) 研制了H波段的气体吸收盒,由多种同位素的氰化氢、乙炔、一氧化碳混合气体组成。Valdivielso et al. (2010) 用乙炔、一氧化二氮、氨气、甲基氯、碳氢化合物制作了H和K波段的混合气体吸收盒。Bean et al.( 2010)用氨气为VLT的CRIRES光谱仪制作了K波段吸收盒,观测精度达到了5m/s。

本文方法 — 用地球大气吸收线定标

本文的作者另辟蹊径,用地球大气在K波段的分子吸收带作为定标源,使用安装在3米NASA红外望远镜(IRTF)卡赛格林焦点上的长缝阶梯色散光谱仪CSHELL,获得了58m/s的视向速度精度。作者使用的光谱宽度只有50 \AA  &s=-2,中心波长是2.298微米,分辨率达到了46,000。这段光谱包含了恒星中CO的分子吸收带,以及来自地球大气的甲烷吸收线。恒星的高分辨率模板是用NextGen恒星大气模型和原子、CO分子的数据通过理论计算得到的,分辨率是实际观测到的光谱的14倍。结合NOAO的大气吸收线模板(Livingston & Wallace 1991)、恒星的临边昏暗效应、自转在天空平面的投影vsini,作者采用非线性最小二乘方法(NLLS)拟合观测光谱,对红外波段的视向速度标准星GJ 281进行的测量得到了 58 m/s 的速度定标精度。他们还观测了另外一颗 M 矮星 Gl 86,它有一个4倍木星质量的行星,周期是15.78天。作者得到的视向速度曲线成功证认出这颗行星存在。

图2:spectra.png GJ 281的观测光谱(a):用大气模型生成的恒星光谱模板(b):地球大气吸收线模板 (c):实线是拟合的观测光谱,红点是实际观测到的光谱 (d):残差

实际意义 — 小镜子, 大科学

系外行星搜寻由于样本多、周期长,往往需要占用大量的望远镜时间。而在VLT这种8-10米级的望远镜上,观测时间的竞争是非常激烈的,要想取得大量的时间进行系统性的行星搜寻往往不是一件容易的事。本文最重要的意义之一就是证明在3米口径这种小级别的望远镜上,开展红外波段的行星搜寻是完全可行的。此外,作者用大气的分子吸收线做波长定标,这样就避免了开发研制周期比较长的混合气体吸收盒,巧妙的把地球大气作为一个吸收盒。当然这么做也有一定风险,即不同天气、不同地理位置处的大气吸收谱线不完全一样,拟合观测光谱变得更复杂。虽然用大气吸收线做定标不是第一次提出,但是本文作者获得了相对不错的精度(40-50m/s),并且验证了一颗已经发现的系外行星(Gl 86),考虑到所用的光谱只是K波段上很窄的一段(50\AA &s=-2),取得的成绩可以说相当不错了。

图3:CSHELL光谱仪对Gl86观测的视向速度变化曲线,证认了这颗质量为4倍木星质量的行星的存在。蓝色点是Figueira et al.2010用VLT的CRIRES观测的数据,红色的是作者用CSHELL在K波段观测得到的数据

展望: jitter 影响 和多波段联合观测

在一些磁场活动比较强的恒星表面,黑子随着恒星的自转,也会在恒星的视向速度上产生周期性的信号,往往容易与行星对恒星的引力扰动相混淆,这种扰动被称为 jitter。诸多观测表明,jitter随着波长的增加而减弱,在红外波段上jitter往往比光学波段小的多,因此红外波段的视向速度测量能够对光学波段发现的行星进行证认。文章的最后,作者指出,对系外行星进行多波段联合观测是相当重要的。

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