[論文レビュー] Impact of Binary Stars on Planet Statistics -- I. Planet Occurrence Rates, Trends with Stellar Mass, and Wide Companions to Hot Jupiter Hosts

Maxwell Moe, Kaitlin M. Kratter|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 6被引用数 26

ひとこと要約

本論文は、近接連星が原始惑星系円盤内惑星形成を抑制すること、およびその結果として惑星出現率にバイアスが生じることを示している。著者らは、連星による抑制とトランジット希釈を補正することで、単一のG型超巨星周辺の小惑星の真の出現率が、ケプラー全G型星サンプルから推定された値よりも2.1 ± 0.3倍高いことを特定した。これにより、径速度調査とトランジット調査の間の矛盾が解消された。

ABSTRACT

Close binaries suppress the formation of circumstellar (S-type) planets and therefore significantly bias the inferred planet occurrence rates and statistical trends. After compiling various radial velocity and high-resolution imaging surveys, we determine that binaries with a < 1 au fully suppress S-type planets, binaries with a = 10 au host close planets at 15% the occurrence rate of single stars, and wide binaries with a > 200 au have a negligible effect on close planet formation. We show that F = 43% +/- 7% of solar-type primaries do not host close planets due to suppression by close stellar companions. By removing spectroscopic binaries from their samples, radial velocity surveys for giant planets boost their detection rates by a factor of 1/(1-F) = 1.8 +/- 0.2 compared to transiting surveys. This selection bias fully accounts for the discrepancy in hot Jupiter occurrence rates inferred from these two detection methods. Correcting for both planet suppression by close binaries and transit dilution by wide binaries, the occurrence rate of small planets orbiting single G-dwarfs is 2.1 +/- 0.3 times larger than the rate inferred from all G-dwarfs in the Kepler survey. Additionally, about half (but not all) of the observed increase in small, short-period planets toward low-mass hosts can be explained by the corresponding decrease in the binary fraction. Finally, we demonstrate that the apparent enhancement of wide stellar companions to hot Jupiter hosts is due to multiple selection effects. Very close binaries, brown dwarf companions, and massive planets with M_2 > 7 M_J within a < 0.2 au preferentially have metal-poor hosts and wide tertiary companions, but genuine hot Jupiters with M_p = 0.2-4 M_J that formed via core accretion instead favor metal-rich hosts and do not exhibit a statistically significant excess of wide stellar companions.

研究の動機と目的

• 近接連星がS型惑星の形成をどの程度抑制するか、および統計的惑星出現率に与えるバイアスを定量化すること。
• 近接連星に起因する選択バイアスを特定することで、径速度調査とトランジット調査の間の熱い木星の出現率の乖離を解消すること。
• 星の質量に伴う連星率の傾向が、小規模で短周期の惑星出現率の観測傾向を説明する役割を果たすかどうかを評価すること。
• 熱い木星のホスト星に観測された広い恒星伴星の過剰が、選択効果の結果であるのか、あるいは物理的強化の結果であるのかを特定すること。
• 金属量と広い伴星統計の両面から、熱い木星と質量の大きな近接伴星の形成メカニズムを区別すること。

提案手法

• 分離領域（a < 1 au、1–10 au、10–200 au、>200 au）ごとに、惑星ホスト星の径速度および高分解能画像調査を統合・均一化し、連星率を測定した。
• 観測された連星率と二重星系における円盤の断片化・乱流の理論モデルを用いて、惑星出現率の抑制係数を計算した。
• 広い連星調査に完全性補正を適用し、惑星ホスト星の広い伴星を同定する際の検出限界と選択バイアスを補正した。
• 金属量測定と質量分布解析を用いて、近接伴星の形成経路としてコア蓄積と重力不安定化の違いを区別した。
• ケプラーで得られた出現率に、近接連星による惑星抑制と広い連星によるトランジット希釈の両方の影響をモデル化した。
• ケプラー調査における全G型星サンプルから推定された出現率と、単一星の出現率を比較し、バイアスの程度を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分離距離a < 1 auの近接連星は、S型惑星の形成をどの程度抑制し、惑星出現率の推定値にバイアスをもたらすのか？
• RQ2 なぜ径速度調査とトランジット調査は、熱い木星の出現率について異なる結果を出しているのか？これは連星に起因する選択バイアスで説明可能か？
• RQ3 ホスト星の質量に伴う小惑星出現率の傾向が、連星率の違いに起因するのか、それとも固有の惑星形成メカニズムに起因するのか？
• RQ4 熱い木星ホスト星に観測された広い恒星伴星の過剰は、実際のものなのか、あるいは選択バイアスや誤検出の影響によるものなのか？
• RQ5 コア蓄積で形成された熱い木星は、統計的に有意な広い伴星の過剰を示すのか？これは、質量の大きな近接伴星や褐色矮星と比較してどう異なるのか？

主な発見

• 分離距離a < 1 auの連星はS型惑星の形成を完全に抑制するが、a = 10 auの連星では、単一星と比較して惑星形成率が15% ± 17%にまで低下する。
• 分離距離a > 200 auの広い連星は、近接惑星形成にほとんど影響を及ぼさず、顕著な抑制は観測されない。
• 太陽型星の43% ± 7%は、近接恒星伴星による抑制のため、近接惑星を有さない。これは径速度調査におけるバイアスの原因である。
• 連星による抑制とトランジット希釈を補正した結果、単一のG型超巨星周辺の小惑星の真の出現率は、ケプラーから推定された値よりも2.1 ± 0.3倍高い。
• 径速度調査とトランジット調査の間の熱い木星出現率の乖離は、すべて、径速度調査が分光連星を除外するため、検出率が1.8 ± 0.2倍に上昇するという事実によって完全に説明できる。
• 観測された低質量星に向かう小規模で短周期の惑星出現率の増加の半分は、星の質量が低下するに従い連星率が低下するためのものと説明できる。