[論文レビュー] Listening to the gravitational wave sound of circumbinary exoplanets

Nicola Tamanini, Camilla Danielski|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2018

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 78被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、はくちょう座ミッション（LISA）を用いて、銀河およびreateric Cloudsに広がる分離型二重白色矮星（DWD）連星系の周囲を回る、特にガス惑星（ガス巨大惑星）を同定するための新しい重力波（GW）検出法を提案する。惑星の公転運動が引き起こすDoppler変調を介して、LISAは、電磁的手段に比べて偏りのない銀河規模の統計を得られるように、数百万個のこのような惑星を特徴付けることが可能になる。

ABSTRACT

To date more than 3500 exoplanets have been discovered orbiting a large variety of stars. Due to the sensitivity limits of the currently used detection techniques, these planets populate zones restricted either to the solar neighbourhood or towards the Galactic bulge. This selection problem prevents us from unveiling the true Galactic planetary population and is not set to change for the next two decades. Here we present a new detection method that overcomes this issue and that will allow us to detect gas giant exoplanets using gravitational wave astronomy. We show that the Laser Interferometer Space Antenna (LISA) mission can characterise hundreds of new circumbinary exoplanets orbiting white dwarf binaries everywhere in our Galaxy - a population of exoplanets so far completely unprobed - as well as detecting extragalactic bound exoplanets in the Magellanic Clouds. Such a method is not limited by stellar activity and, in extremely favourable cases, will allow LISA to detect super-Earths down to 10 Earth masses.

研究の動機と目的

• 近接で明るい星に偏る現在の系外惑星サーベイの選択バイアスを克服し、重力波を介して惑星を検出すること。
• 特に広い軌道のガス巨大惑星の真の銀河系内での存在に関する知識の欠如を解消すること。
• 電磁的手段では未調査であった、二重白色矮星の周囲を回る環連星系惑星（P型）の検出を可能にすること。
• 連星進化過程、特に共通エンvelope段階を経ての惑星の生存可能性や第二世代惑星形成の可能性に関する制約を提供すること。
• 重力波天文と電磁的天文の協調を確立し、惑星質量および軌道パラメータの推定精度を向上させること。

提案手法

• 二重白色矮星（DWD）連星と重力的に束縛された系外惑星が形成する三体系を、DWDの重心のケプラー運動を含む力学的フレームワークでモデル化する。
• LISAが惑星の軌道パラメータ（半振幅 $K$、周期 $P$、初期位相 $\varphi_0$）を測定する精度を推定するためにフィッシャー情報行列を適用する。
• 0.1 mHz から 1 Hz の固有GW周波数を持つDWDのLISA観測をシミュレートし、ほぼ単色のGWを放出する1時間未塔の周期を持つシステムに焦点を当てる。
• 惑星の重力的影響によるGW信号のDoppler変調を主な検出シグナルとして使用する。
• S/N比と惑星質量（木星質量単位）に応じて結果をスケーリングし、パラメータ推定の精度を評価する。
• 将来的な電磁的サーベイ（例：Gaia, WFIRST, ELT）と統合し、共同でのパラメータ推定と惑星検出の確認を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LISAは、重力波信号の摂動を介して、二重白色矮星の周囲を回る環連星系惑星を検出可能か？
• RQ2 特にガス巨大惑星およびスーパーアースに対して、LISAの惑星質量および公軌道周期への感度はどの程度か？
• RQ3 重力波観測は、電磁的サーベイ（例：Gaia, WFIRST, ELT）とどのように相乗効果をもたらし、惑星質量および軌道傾きの制約を強化できるか？
• RQ4 共通エンvelope段階を含む連星進化過程における惑星の生存に関するLISAによる制約はどのようなものか？
• RQ5 LISAデータに惑星シグナルが存在しない場合、惑星形成および進化理論に対する偏りのない制約を提供できるか？

主な発見

• LISAは、銀河およびreateric Cloudsに広がる二重白色矮星の周囲を回る、電磁的手段では未調査であった環連星系惑星を数百万個検出可能である。
• 極めて有利な状況下では、30地球質量のガス巨大惑星を検出可能であり、1～2 AU以内のシステムでは13木星質量まで検出可能である可能性がある。
• LISAの惑星軌道パラメータ（$K$、$P$、$\varphi_0$）への感度は、S/N比および惑星質量に比例する相対的精度で定量的に評価され、1年周期の公軌道でピークのデゲネラシーが生じる。
• Gaiaとの共同観測により、特に500 pcまでの長周期惑星に対して、惑星質量および軌道傾きの制約が強化される。
• 直接撮像（例：ELT-PCS）と連携することで、DWD総質量および軌道傾きが測定された場合、白色矮星の年齢推定能力を活用して惑星質量を特定可能となる。
• WFIRSTの重力レンズサーベイと連携することで、約2 AUまでの分離距離の環連星系惑星に対して強い補完的効果が得られ、重力波と重力レンズの両方のデータを統合することで質量検出限界が強化される。