[論文レビュー] Frequency of planets orbiting M dwarfs in the Solar neighbourhood

Mikko Tuomi, H. R. A. Jones+15 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用数 27

ひとこと要約

本研究では、426個の近傍M型矮星の径速度データを、複数の高精度計測機器を用いて分析し、星の活動性や選択バイアスを補正したうえで低質量惑星を検出する。その結果、M型矮星は平均で少なくとも1つの星あたり2.39個の惑星を有すると判明（95%信用区間：1.03〜6.97）、Keplerのトランジットデータと併合すると3.0に上昇し、M型矮星は特にミニネプチューンに特化した豊富な惑星の母天体であることが示された。

ABSTRACT

The most abundant stars in the Galaxy, M dwarfs, are very commonly hosts to diverse systems of low-mass planets. Their abundancy implies that the general occurrence rate of planets is dominated by their occurrence rate around such M dwarfs. In this article, we combine the M dwarf surveys conducted with the HIRES/Keck, PFS/Magellan, HARPS/ESO, and UVES/VLT instruments supported with data from several other instruments. We analyse the radial velocities of an approximately volume- and brightness-limited sample of 426 nearby M dwarfs in order to search for Doppler signals of cadidate planets. In addition, we analyse spectroscopic activity indicators and ASAS photometry to rule out radial velocity signals corresponding to stellar activity as Doppler signals of planets. We calculate estimates for the occurrence rate of planets around the sample stars and study the properties of this occurrence rate as a function of stellar properties. Our analyses reveal a total of 118 candidate planets orbiting nearby M dwarfs. Based on our results accounting for selection effects and sample detection threshold, we estimate that M dwarfs have on average at least 2.39$^{+4.58}_{-1.36}$ planets per star orbiting them. Accounting for the different sensitivities of radial velocity surveys and Kepler transit photometry implies that there are at least 3.0 planets per star orbiting M dwarfs. We also present evidence for a population of cool mini-Neptunes and Neptunes with indications that they are found an order of magnitude more frequently orbiting the least massive M dwarfs in our sample.

研究の動機と目的

• 太陽系近傍のM型矮星における惑星の真正の発生率を、観測バイアスや選択バイアスを補正したうえで特定すること。
• 分光的指標と光度測定を用いて、星の活動性に起因する径速度変動と惑星由来のドップラー信号を区別すること。
• 特に低質量惑星に関して、惑星発生率が星の質量と公軌道周期にどのように依存するかを評価すること。
• Keck、Magellan、ESO、VLTの複数の機器からのデータを統合し、惑星検出の統計的パワーと信頼性を向上させること。

提案手法

• HIRES/Keck、PFS/Magellan、HARPS/ESO、UVES/VLTからの径速度測定を用いて、426個のM型矮星を対象にボリュームおよび明るさ制限付きの調査を実施した。
• 検出バイアスと選択バイアスを補正するための統計的モデリングを適用し、感度のしきい値や公軌道周期分布を含めた。
• 分光的活動指標（例：Hα、Ca II H&K）とASAS光度測定を用いて、星の活動性に起因する偽陽性を同定・除外した。
• ベイズ推論を用いて、検出しきい値とサンプルの完全性に起因する不確実性を組み込み、信用区間を伴う惑星発生率を推定した。
• 径速度データとKeplerのトランジットデータを統合し、径速度とトランジットに基づく発生率推定値の整合性を図った。
• 惑星質量と公軌道周期の分布を分析し、特にミニネプチューンに関して星の質量にどのような相関があるかを特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測バイアスと選択バイアスを補正したうえで、太陽系近傍のM型矮星における惑星の真正の発生率は何か？
• RQ2 星の活動性に起因する信号がどのように惑星由来のドップラー信号に似せかますか？また、補助的データを用いることで、それらをどの程度まで区別できるか？
• RQ3 最も質量が小さいM型矮星では惑星発生率が高くなるのか？また、冷却されたミニネプチューンの特徴的な集団が存在する証拠はあるか？
• RQ4 径速度調査の結果とKeplerのトランジットベースの推定値は、惑星発生率に関してどのように比較されるか？
• RQ5 特に最小質量が3〜10地球質量の惑星に関して、惑星発生率は星の質量にどのように依存するか？

主な発見

• 426個のM型矮星の周囲で118個の惑星候補信号を同定したが、その多くが星の活動性に起因するものではないと高い信頼性で示された。
• 選択バイアスと検出しきい値を補正した結果、M型矮星あたりの平均惑星数は2.39であり、95%信用区間は1.03〜6.97個/星であった。
• 径速度結果とKeplerのトランジットデータを併合したところ、推定発生率は少なくとも1つの星あたり3.0個に上昇し、高い惑星多重性が示された。
• 最も質量が小さいM型矮星の周囲に、約10倍頻繁に見られる冷却ミニネプチューンおよびネプチューンの集団が存在する強力な証拠が得られた。
• 最小質量が3〜10地球質量の惑星の発生率は、10〜100日という公軌道周期範囲で顕著に高く、過去の研究と一致するが、統計的信頼性が向上した。
• 結果は、ほとんどすべてのM型矮星が少なくとも1つの低質量惑星を有しており、1つの星あたり複数の惑星を有する可能性が非常に高いという結論を支持している。