[論文レビュー] Detectability of substellar companions around white dwarfs with Gaia

R. Silvotti, A. Sozzetti+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、星の質量損失に伴う軌道周期の2.5倍拡大を仮定して、ガイアが白色矮星の周囲の亜星惑星（惑星および褐色矮星）を位置測定によって検出可能な能力をシミュレートしている。ガイアは質量が17–80 M_Jupで周期が1–2年間の対象に対して最も感度が高く、5年間のミッションで最大106個のこのような天体を検出可能であり、白色矮星の周囲に広がる軌道の惑星系が存在する最初の実証的証拠を提供する。

ABSTRACT

To date not a single-bona fide planet has been identified orbiting a single white dwarf. In fact we are ignorant about the final configuration of >95% of planetary systems. Theoretical models predict a gap in the final distribution of orbital periods, due to the opposite effects of stellar mass loss (planets pushed outwards) and tidal interactions (planets pushed inwards) during the RGB and the AGB stellar expansions. Over its five year primary mission, Gaia is expected to astrometrically detect the first (few tens of) WD massive planets/BDs giving first evidence that WD planets exist, at least those in wide orbits. In this article we present preliminary results of our simulations of what Gaia should be able to find in this field.

研究の動機と目的

• 位置測定によるガイアの白色矮星の周囲の亜星惑星の検出可能性を評価すること。
• 星の質量損失が惑星の軌道進化に与える影響、特に拡張と潮汐効果の競合によって予測される周期ギャップの影響を調査すること。
• ガイアの5年間の主要ミッション期間中に予想される白色矮星の周囲の広がった軌道の惑星系の検出可能数をシミュレートすること。
• 異なる質量範囲（1–3、3–7、7–13、13–17、および17–80 M_Jup）の惑星に対して、ガイアの感度が異なる周期にどのように依存するかを評価すること。
• 将来のシミュレーションを改善するため、現実的な白色矮星および前身星の質量を組み込み、星の進化過程における潮汐効果を含めること。

提案手法

• R < 20.5の明るさ限界およびd < 200 pcの距離限界を設けたBesançon銀河モデルを用いて、薄disk、厚disk、球状分布、バルジの各集団を含む白色矮星カタログを構築した。
• Casertanoら（2008年）の二重盲検シミュレーション設定を採用し、5年間の通常ミッション期間におけるガイアの位置測定の事前発表誤差モデルを適用した。
• 主系列星から白色矮星への段階で、一定の2.5倍の軌道拡大因子を仮定した（1.5 M☉の前身星からの質量損失に基づく）。潮汐効果は含めなかった。
• 質量1–17 M_Jupの惑星に対しては累積分布をべき乗則（α = -0.31、β = 0.26）で、17–80 M_Jupに対しては0.5%の累積周波数を持つ一様分布を用いた。
• 周期が0.4年以上であると仮定し、離心率（0–0.6）を除き、すべての軌道要素を一様分布とした。S/N > 3（99.9%信頼水準）での検出効率を計算した。
• 検出効率曲線を算出し、各周期チャンクごとの検出可能対象数を推定した。典型的な質量回復誤差は20–30%であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガイアが5年間のミッション中に、位置測定によって白色矮星の周囲の亜星惑星をどれくらいの数検出可能と予想されるか？
• RQ2 星の質量損失に起因する2.5倍の軌道拡大因子が、異なる周期範囲における惑星の検出可能性にどのように影響するか？
• RQ3 長周期にわたって検出効率が上昇する傾向にあるにもかかわらず、なぜガイアの検出効率が1–2年間の周期の対象で最高になるのか？
• RQ4 白色矮星質量が一定であるという仮定と、潮汐効果が欠如しているという前提が、シミュレーション結果およびその信頼性にどのように影響するか？
• RQ5 最近の理論的制約が、周期ギャップの外縁に及ぼす影響を考慮すると、現在のシミュレーションは周期が2年未塔の惑星の検出可能数をどの程度過剰に推定しているのか？

主な発見

• ガイアは5年間のミッション中に、質量が17–80 M_Jupの亜星惑星を最大106個検出可能であり、主に1–2年間の周期に集中する。
• 検出効率が1–2年間の周期でピークに達するが、これは一般的に長周期で効率が上昇する傾向にあるにもかかわらず、固定された2.5倍の軌道拡大因子が、長周期の主系列期の軌道を5年間のミッション期間を超えるように押し上げるためである。
• 1–3 M_Jupの範囲では検出可能な対象は期待されず、3–7 M_Jupの範囲では全周期チャンクにわたって合計3件の検出が予測される。
• 7–13 M_Jupの範囲では合計9件の検出が得られ、うち5件が1–2年間のチャンク、4件が2–3年間のチャンクに属する。
• 13–17 M_Jupの範囲では合計26件の検出が得られ、うち14件が1–2年間のチャンク、8件が2–3年間のチャンク、4件が3–5年間のチャンクに属する。
• 結果から、ガイアは白色矮星の周囲に広がった軌道を持つ質量の大きな惑星が存在することを、最初の実証的証拠として提供する可能性がある。特に1–2年間の周期範囲で顕著である。