[論文レビュー] LBT observations of the HR 8799 planetary system: First detection of HR8799e in H band

Simone Esposito, D. Mesa+34 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 61被引用数 64

ひとこと要約

本研究では、大型二眼望遠鏡の補正光学系とPISCESカメラを用いて、HR8799eをHバンドで初めて検出する。Strehl比は最大80%に達した。惑星cおよびdと同様のHおよびK$_S$バンドの等級を持つことから、HR8799eはわずかに質量が大きい可能性がある。動力学的モデル化の結果、安定な構成は現在の理論的推定値より低い惑星質量を要することが示され、質量および軌道構造に関するより厳しい制約が必要であることが示唆される。

ABSTRACT

We have performed H and Ks band observations of the planetary system around HR 8799 using the new AO system at the Large Binocular Telescope and the PISCES Camera. The excellent instrument performance (Strehl ratios up to 80% in H band) enabled detection the inner planet HR8799e in the H band for the first time. The H and Ks magnitudes of HR8799e are similar to those of planets c and d, with planet e slightly brighter. Therefore, HR8799e is likely slightly more massive than c and d. We also explored possible orbital configurations and their orbital stability. We confirm that the orbits of planets b, c and e are consistent with being circular and coplanar; planet d should have either an orbital eccentricity of about 0.1 or be non-coplanar with respect to b and c. Planet e can not be in circular and coplanar orbit in a 4:2:1 mean motion resonances with c and d, while coplanar and circular orbits are allowed for a 5:2 resonance. The analysis of dynamical stability shows that the system is highly unstable or chaotic when planetary masses of about 5 MJup for b and 7 MJup for the other planets are adopted. Significant regions of dynamical stability for timescales of tens of Myr are found when adopting planetary masses of about 3.5, 5, 5, and 5 Mjup for HR 8799 b, c, d, and e respectively. These masses are below the current estimates based on the stellar age (30 Myr) and theoretical models of substellar objects.

研究の動機と目的

• 大型二眼望遠鏡の補正光学系を用いた高対比画像撮影により、HR8799eをHバンドで検出すること。
• HR8799eのHバンドおよびK$_S$バンドにおける光度特性を特定し、系内の他の惑星と比較すること。
• さまざまな質量仮定のもとでの軌道的配置およびHR8799惑星系の動的安定性を評価すること。
• 位置測定および光度測定データと整合する安定な軌道的構造を同定することで、惑星質量の制約を精緻化すること。

提案手法

• 新規補正光学系を備えた大型二眼望遠鏡に搭載されたPISCESカメラを用いて、HバンドおよびK$_S$バンドの高分解能画像撮影を実施。
• Hバンドでは最大80%のStrehl比を達成し、微弱な惑星信号の検出を可能にした。
• 歪み補正済みのPISCESデータを用いて、HR8799惑星の位置測定および光度測定を実施。
• 複数の惑星質量仮定のもとで動的安定性シミュレーションを実施し、安定な軌道的構成を同定。
• 画像処理における重心位置の精度向上を図るため、スieveマスクデータから導出された歪み補正係数を用いた。
• 惑星c, d, e間の平均運動共鳴（4:2:1および5:2）の配置を、同一面内かつ円形、または離心率あり・非同一面内という仮定のもとで検討。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の高対比画像撮影技術を用いて、HR8799eはHバンドで検出可能か？
• RQ2 HR8799eのHバンドおよびK$_S$バンドの等級は何か？ また、惑星cおよびdと比較してどう異なるか？
• RQ3 観測された位置測定および光度測定と整合する軌道的配置（離心率、軌道傾き、共鳴）は何か？
• RQ4 HR8799系が長期間にわたり動的安定性を保つために必要な惑星質量は何か？
• RQ5 惑星c, d, eを含む4:2:1または5:2の平均運動共鳴が、同一面内かつ円形、または離心率あり・非同一面内という条件下で安定な軌道を維持できるか？

主な発見

• HR8799eはHバンドで初めて検出された。HバンドおよびK$_S$バンドの等級が惑星cおよびdと類似しており、わずかに質量が大きい可能性がある。
• Hバンドでの明るさは約5 $M_{\rm J}$の質量推定値と整合的であるが、動的安定性の観点からはより低い値が好ましい。
• 惑星b, c, eの軌道は、円形かつ同一面内であると整合的であるが、惑星dは離心率が約0.1であるか、非同一面内である可能性が高い。
• 同一面内かつ円形の仮定のもとでは、惑星c, d, e間に4:2:1の平均運動共鳴は動的に不安定であるが、5:2の共鳴は観測と整合的である。
• 数十Myrのスケールで安定な軌道的構造が得られるのは、惑星bが約3.5 $M_{\rm J}$、惑星c, d, eがそれぞれ約5 $M_{\rm J}$にまで質量を低減した場合に限られる。これは現在の理論的推定値を下回る。
• 標準的な質量推定値を仮定すると、系は極めて不安定となる。これは現在の理論的質量推定値が高すぎる可能性を示唆し、より精緻な位置測定監視が質量の精緻化に不可欠であることを示している。