Search and characterization of exo-earths participation in the development of the espresso spectrograph for the VLT

Abstract

The search for exo-Earths using Doppler spectroscopy faces nowadays two main difficulties. The first is a technical limitation. The precision of the instruments limits the measurable amplitudes to signals produced by super-Earths orbiting close to their host stars. Terrestrial planets orbiting solar-type stars induce variations smaller than 1 m s−1 except when orbiting very close to the star. The arrival of ESPRESSO and the Laser Frequency Comb as calibration unit will palliate this limitation and move the measurement precision to the range of 5 cm s−1 . So far the search in solar-Type stars is limited to super-Earths. The alternative is to find terrestrial planets in the habitable zone is the search around M-type stars. Their lower mass makes the signals of terrestrial planets detectable by today’s instruments. The second issue is the presence of radial velocity variations induced by the homogeneities of the stellar surface. The changes in the stellar surface and the stellar rotation induce periodic signals that go from less than 1 m s−1 in the quietest stars to dozens of m s−1 in active stars and might be easily mistaken for signals induced by rocky planets. In the case of M-dwarfs the need of performing the analysis of the stellar induced signals is even more important. Signals produced by early M-dwarfs have periods compatible with the habitable zone of those stars and amplitudes similar to those of super-Earths. The rise in precision expected for the next years will make this kind of signals visible even in the quietest stars making even more important to understand and correctly model them. Using chromospheric indicators from high resolution spectroscopic and photometric time series we study both long term and short term variability (solarlike cycles and rotation) of a sample of 176 low magnetic activity stars with spectral types going from late F-type to mid M-type stars. We provide new measurements of magnetic cycles for 105 stars, and rotation periods for 123 stars. We study the distribution of rotation periods, finding that there is an evolution in the rotation period lengths, getting longer for later type stars, that saturates when reaching K-type stars and begins to increase again at types later than M2. We study the distribution of magnetic cycles, finding no clear difference among different spectral types. We study the relationships between the measured periods and the chromospheric activity level of the stars, measured as the log10(R0 HK). To do so we extend the log10(R0 HK) calibration to cover stars up to B-V ∼ 2.0. We find a strong correlation between the measured rotation period and the mean level of chromospheric activity that allows to predict the rotation periods of main sequence stars from G-type to mid M-type with an accuracy of the ∼ 20% of the period. We analyse the radial velocity time series of 133 stars searching both for activity induce signals and planetary signals. We detect rotation induced signals in 46 stars, with amplitudes going from 0.3 to 16.4 ms−1 . We study the relationship between the amplitude of the induced signals and the activity indicators, finding a correlation between the mean level of chromospheric activity log10(R0 HK) and the measured amplitude of the signal. This relationship shows that FGK stars show a similar behaviour, which is different for M-type stars. We find also a relationship between the amplitude of the modulation in the Mount Wilson S index and the amplitude of the induced radial velocity signal. This relationship behaves differently for two populations of stars, with a breaking point around mid-K stars. After cleaning the radial velocity series form stellar activity induced signals we performed a search for dynamical signals in the same sample of stars. We recovered most of the previously published planet candidates, except for a few cases where we attribute a stellar origin to the previously assumed planetary companion. We present the discovery of six new planets around the stars HD 1581, HD 161098, HD 176986, GJ 536 and GJ 3998, with minimum masses in M⊕ units of 5.87 ± 0.99, 26.60 ± 4.39, 4.86 ± 0.66 and 5.47 ± 0.84, 2.35 ± 0.42 and 6.12 ± 1.11 respectively located at 0.321, 2.503, 0.061, 0.066, 0.029 and 0.089 au from their parent stars. The latter two have been reported by Affer et al. (2016). Five of them are presumably rocky planets. We suggest the presence of a seventh one in the star HD 161098 with a minimum mass of 5.30 ± 1.22 M⊕ located at 0.317 au of the star, which could be habitable given the appropriate atmospheric conditions. We suggest also the presence of five additional candidates that still require further analysis and observations.

La búsqueda de exotierras por medio de espectroscopía doppler se enfrenta hoy en día a dos grandes dificultades. La primera es de carácter técnico. En estrellas de tipo solar la precisión de los instrumentos existentes limita la amplitud de las señales que se pueden medir a aquellas producidas por supertierras a separaciones orbitales cercanas a sus estrellas. Los planetas de tipo terrestre orbitando alrededor de estrellas de tipo solar producen variaciones muy inferiores a 1 m/s excepto a distancias muy cercanas a la estrella. La llegada de ESPRESSO y el Laser Frequency Comb como unidad de calibración paliarán esta limitación al llevar la precisión de las medidas hasta el rango de los 5 cm/s. Hasta ese momento la búsqueda en estrellas de tipo solar queda limitada a supertierras. La alternativa en estos momentos está en la búsqueda alrededor de estrellas de tipo M, ya que su baja masa hace que las señales de los planetas de tipo terrestre sean detectables con los instrumentos actuales.

La segunda dificultad está en las variaciones en velocidad radial producidas por las inhomogeneidades de la superficie de las estrellas. Los cambios en las regiones activas de la superficie en las estrellas y su rotación provocan variaciones periódicas en la velocidad radial que pueden ir desde menos de 1 m/s en estrellas tranquilas hasta varias decenas de m/s en las más activas y pueden ser fácilmente confundidas con la variación provocada por planetas rocosos. En el caso de las estrellas M la necesidad de realizar este análisis de las señales originadas por la actividad estelar resulta aun más importante. Las señales inducidas por las estrellas M tempranas tienen periodos compatibles con los de las órbitas de los planetas en la zona habitable de estas estrellas, y amplitudes compatibles con las de las supertierras. Con el aumento de precisión previsto para el futuro estas señales aparecerán hasta en las estrellas menos activas conocidas, resultando cada vez más importante entenderlas y modelarlas correctamente.

Usando series temporales de indicadores cromosféricos de espectros de alta resolución y curvas fotométricas estudiamos la variabilidad de 176 estrellas de baja actividad magnética de tipos espectrales desde F tardío hasta M intermedio, buscando tanto actividad a largo plazo (ciclos similares al ciclo solar) como a corto plazo (rotación). Presentamos nuevas medidas de ciclos magnéticos para 105 estrellas, y periodos de rotación para 123 estrellas. Estudiamos la distribución de periodos de rotación, donde encontramos una evolución hacia mayores valores en la duración del periodo en los tipos espectrales más tardíos. Esa evolución se detiene al llegar a las estrellas de tipo K temprano, y se reanuda al cruzar la frontera de las estrellas M2. Estudiamos así mismo la distribución de ciclos magnéticos, sin encontrar diferencias evidentes entre las estrellas de diferentes tipos espectrales.

Estudiamos la relación entre el periodo de rotación medido y el nivel medio de actividad cromosférica, medido como el log(Rhk). Para ello extendemos la calibración del log(Rhk) para cubrir estrellas de B-V hasta ~2.0. Encontramos una fuerte correlación entre el periodo de rotación medido y el nivel de actividad cromosférica, que permite predecir el periodo de rotación de estrellas desde estrellas de tipo G hasta estrellas de tipo M intermedio de secuencia principal con una precisión del ~23\%.

Analizamos las curvas de velocidad radial de 133 estrellas buscando tanto señales de velocidad radial inducidas por actividad como señales inducidas por planetas. Detectamos la señal inducida por rotación en 46 estrellas, con amplitudes desde 0.3 hasta 16.4 m/s. Estudiamos la relación entre la amplitud de las señales inducidas y los indicadores de actividad cromosférica, encontrando una vez más una correlación entre el nivel medio de actividad log(Rhk) y la amplitud de la señal inducida. Esta relación nos enseña que las estrellas FGK siguen un comportamiento similar, mientras que para las estrellas M las amplitudes inducidas son mayores. Encontramos también una relación entre la amplitud de la modulación rotacional del índice Smw y la amplitud de la señal en velocidad radial inducida por la rotación. En este caso encontramos dos poblaciones bien diferenciadas, divididas por las estrellas de tipo K intermedio.

Tras limpiar las curvas de velocidad radial de señales inducidas por actividad llevamos a cabo una búsqueda de señales dinámicas en la misma muestra de estrellas. Recuperamos la mayor parte de los candidatos a planetas previamente publicados, salvo unos pocos casos donde atribuimos a la señal un origen intrínseco a la estrella. Presentamos el descubrimiento de seis nuevos planetas alrededor de las estrellas HD 1581, HD 161098, HD 176986, GJ 536 y GJ 3998, con masas mínimas de 5.87 +- 0.99, 26.60 +- 4.39, 4.86 +- 0.66 y 5.47 +- 0.84 Me, 2.35 +- 0.42 Me y 6.12 +- 1.11 Me respectivamente, situados a 0.321, 2.503, 0.061, 0.066, 0.029 y 0.089 au de sus estrellas. Los dos últimos publicados ya por Affer et al. 2016. Cinco de ellos probablemente sean planetas rocosos. Sugerimos también la presencia de un séptimo en la estrella HD 161098 con una masa mínima de 5.30 +-1.22 Me orbitando a una distancia de 0.317 au, que podría ser habitable si se diesen las condiciones atmosféricas apropiadas. Sugerimos por último la presencia de otros cinco candidatos que aún requieren observaciones adicionales y un análisis detallado.