[論文レビュー] Detecting circumbinary exoplanets and hierarchical stellar triples with the LISA gravitational radiation mission

Jason H. Steffen, Dong-Hong Wu+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、LISAミッションのデータにおける重力波（GW）の変調を用いて、環連星系系外惑星および階層的連星三重系を検出する手法を提案している。主に、第三天体の公転によって引き起こされる二重白色矮星（DWD）連星の重心運動に起因するドップラー効果による変調が中心である。4年間のミッションでは、孤立星周辺の惑星出現率と同程度の仮定のもとで、約10個の巨大惑星（M > 2 M_J）が検出可能であり、10年間のミッションではその数が約100個に増加する。

ABSTRACT

We investigate the possibility of detecting planetary or stellar companions orbiting white dwarf binaries using the LISA gravitational radiation detector. Specifically, we consider the acceleration of the barycenter of the white dwarf binary due to the orbiting third body as well as the effect of changes in the tidal field across the binary due to the perturber's eccentric orbit. We find that the movement of the barycenter is detectable for both stellar and planetary mass objects. If circumbinary planets occur with frequencies similar to gas giant planets around isolated main sequence stars, then we expect to find of order 10 such planets in four years of LISA observations. For a longer, ten-year mission the accessible parameter space for planetary mass, orbital period, and binary orbital period grows and LISA's associated yield increases to ~100 expected detections.

研究の動機と目的

• LISAミッションの重力波信号を用いて、環連星系系外惑星および階層的連星三重系の検出可能性を評価すること。
• 二つの異なるGW変調メカニズム（重心加速度（ドップラーシフト）と潮汐場による公転周期変化）の評価を行うこと。
• 現実的な惑星出現率とDWD集団分布の仮定のもとで、検出可能な環連星系系外惑星の数を推定すること。
• 軌道パラメータと信号対雑音比の閾値に基づいて、LISAが惑星同伴をどの程度検出可能とするかを特定すること。
• 惑星質量同伴と星質量同伴の検出可能性を比較し、支配的な検出メカニズムを同定すること。

提案手法

• 第三天体同伴に起因するDWD連星の重心運動に起因する重力波周波数のドップラーシフトを、径方向速度と軌道パラメータを用いてモデル化する。
• 相対論的ドップラー式と軌道力学を用いて周波数シフトの振幅を導出し、質量比、長半径、および軌道傾きを組み込む。
• 離心軌道を描く第三天体による潮汐場の変調効果を評価し、GW信号の公転周期変化への影響を計算する。
• DWDの銀河モデルを用いて、惑星検出に適した周波数を持つ解像可能なDWDの数を推定する。
• Keplerデータからの惑星出現率モデル（Cumming et al. 2008）を用い、DWD周辺でも同様の出現率が成立すると仮定して、検出可能な惑星集団を推定する。
• S/N > 5の閾値を用いて信号対雑音比（S/N）を計算し、質量および公転周期範囲にわたって統合することで、期待される検出数を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LISAは、二重白色矮星連星の重心運動に起因する重力波信号の変調を介して、環連星系系外惑星を検出可能か？
• RQ2 提示された二つのGW変調メカニズム（重心ドップラーシフトと潮汐場による周期変化）のうち、どちらがLISAにおける支配的検出シグナルを提供するか？
• RQ3 孤立主系列星周辺の出現率と同程度の仮定のもとで、4年間および10年間のLISAミッション期間における検出可能な環連星系系外惑星の予想数は何か？
• RQ4 惑星の質量と公転周期が、DWD連星の公転周波数に対してどのように検出可能性に影響を与えるか？
• RQ5 解像可能なDWDのうち、検出可能な惑星同伴を有する割合はどれくらいか？また、そのような検出は空のどの領域で最も可能性が高いか？

主な発見

• 重心運動に起因するドップラーシフトは、支配的かつ最も検出可能な信号である。一方、潮汐場による変調は一般的にLISAの感度範囲外にある。
• 4年間のLISAミッションでは、孤立F、G、K型星周辺の出現率と同程度の仮定のもとで、約10個の環連星系巨大惑星（M > 2 M_J）が検出可能と予想される。
• ミッション期間を10年間に延長すると、検出数は約100に増加し、そのうち100日未満の公転周期を持つ惑星が数十個にのぼる。
• 10 M_Jを超える質量と100日未満の公転周期を持つ惑星は、解像可能なDWDのほぼすべての周囲で検出可能となる。
• 銀河中心付近でDWD密度が高く、重力波信号が強いことから、検出率は銀河中心付近で最も高くなる。
• この手法は、信号が安定で、標準的な時域解析技術が適用可能であるため、トランジット調査よりも検出戦略が明確である。