[論文レビュー] An educated search for transiting habitable planets. Targetting M dwarfs with known transiting planets

M. Gillon, X. Bonfıls+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 26被引用数 27

ひとこと要約

この論文は、既に軌道を共有する超地球が軌道を回っているM型矮星の周りで、地球型の生命が存在可能な惑星の標的型光度検出を提案している。軌道の同一平面上にあることを活用することで、検出確率を向上させている。GJ 1214では、モンテカルロシミュレーションにより、地上望遠鏡による監視で地球サイズの生命が存在可能な惑星を検出可能であり、宇宙望遠鏡の観測では火星サイズの天体でさえ検出可能であることが示された。半径の測定のみで、質量測定が不要な状況でも惑星の性質を確認し、組成を制限できる。

ABSTRACT

Because the planets of a system form in a flattened disk, they are expected to share similar orbital inclinations at the end of their formation. The high-precision photometric monitoring of stars known to host a transiting planet could thus reveal the transits of one or more other planets. We investigate here the potential of this approach for the M dwarf GJ 1214 that hosts a transiting super-Earth. For this system, we infer the transit probabilities as a function of orbital periods. Using Monte-Carlo simulations we address both the cases for fully coplanar and for non-coplanar orbits, with three different choices of inclinations distribution for the non-coplanar case. GJ 1214 reveals to be a very promising target for the considered approach. Because of its small size, a ground-based photometric monitoring of this star could detect the transit of a habitable planet as small as the Earth, while a space-based monitoring could detect any transiting habitable planet down to the size of Mars. The mass measurement of such a small planet would be out of reach for current facilities, but we emphasize that a planet mass would not be needed to confirm the planetary nature of the transiting object. Furthermore, the radius measurement combined with theoretical arguments would help us to constrain the structure of the planet.

研究の動機と目的

• 既知の軌道を共有する惑星を持つM型矮星の周りで、軌道の同一平面性を活用して、軌道を共有する生命が存在可能な惑星の検出可能性を評価すること。
• 超地球が軌道を回っているようなシステム、例えばGJ 1214において、生命が存在可能な惑星の軌道通過確率の向上を評価すること。
• 地上および宇宙望遠鏡による光度観測を用いた、地球サイズおよびそれ以下の惑星の検出可能性を特定すること。
• 質量測定が不要な状況でも、信頼性の高い半径測定が惑星の性質を確認できるという主張をすること。特に、既知の軌道を共有する惑星を持つシステムにおいて有効である。
• 二段階戦略の提唱：まずMEarthのような調査を用いて、近隣のM型矮星の周りで軌道を共有する超地球を発見すること。次に、これらのシステムを高精度な光度観測で監視し、生命が存在可能な惑星を検出すること。

提案手法

• 三つの異なる仮定（完全に同一平面のシステム、および三種類の異なる軌道傾き分布を持つ非同一平面システム）の下で、軌道傾きをモンテカルロシミュレーションでモデル化すること。
• 既知の軌道を共有する超地球の軌道傾きに基づき、GJ 1214の生命が存在可能な領域に位置する惑星の軌道通過確率を、公軌道周期の関数として計算すること。
• 地上および宇宙望遠鏡の光度精度を用いて検出限界を評価し、検出可能な最小の惑星半径を推定すること。
• 理論的質量-半径関係を適用し、純鉄またはケイ酸塩の組成を仮定して、生命が存在可能な領域に位置する小惑星の上限および下限の質量を導出すること。
• 特に既知の軌道を共有する惑星を持つシステムにおいて、偽陽性を除外するための半径測定の信頼性を評価すること。
• 大気保持（例えば、H/He大気の喪失）および水の貯留の安定性に関する理論的議論を用いて、惑星の質量と組成を制限すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既知の軌道を共有する超地球が存在するシステムにおいて、軌道の同一平面性を仮定した場合、生命が存在可能な惑星の軌道通過確率はどの程度向上するか？
• RQ2 GJ 1214の小さな恒星の半径を考慮すると、地上光度観測で地球サイズの惑星の軌道通過を検出可能か？
• RQ3 宇宙光度観測で、GJ 1214の軌道を共有する火星サイズの生命が存在可能な惑星の軌道通過を検出可能か？
• RQ4 既知の軌道を共有する惑星を持つシステムにおいて、軌道を共有する信号の惑星性を確認するために、惑星質量の測定が必要か？
• RQ5 大気保持や組成に関する理論的制約を用いて、直接的な質量測定がなくても、惑星の質量と生命が存在可能な可能性を推定できるか？

主な発見

• GJ 1214では、既知の軌道を共有する超地球の存在により、生命が存在可能な領域に位置する惑星の軌道通過確率が顕著に向上しており、特に同一平面または低傾きの仮定下で顕著である。
• GJ 1214の地上光度観測では、恒星の小さな半径のおかげで、地球サイズの生命が存在可能な惑星の軌道通過を検出可能である。
• GJ 1214の宇宙光度観測では、火星サイズの生命が存在可能な惑星の軌道通過を検出可能である。
• 高SNRの軌道通過検出から得られる信頼性の高い半径測定のみで、既知の軌道を共有する惑星を持つシステムでは、惑星の性質を確認できる。質量測定は不要である。
• 大気保持（例：H/He大気の喪失）や水の損失のリスクに関する理論的制約は、小惑星の惑星性と生命が存在可能な可能性を支持する。
• 本研究では二段階戦略の提唱：まずMEarthのような調査を用いて、近隣のM型矮星の周りで軌道を共有する超地球を発見すること。次に、これらのシステムを高精度な光度観測で監視し、生命が存在可能な惑星を検出すること。