[論文レビュー] Observational Techniques for Detecting Planets in Binary Systems

Matthew W. Muterspaugh, M. Konacki+2 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2007

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 39被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、二重星系における惑星の検出に向けた観測手法を評価し、片方の星を回るS型（S-type）および二重星の周囲を回るP型（P-type）の配置に注目する。径速度、アストロメトリー、食時系列の3つの手法を比較し、特に長周期系において、宇宙望遠鏡を用いた食時系列手法が、循環型惑星に対して優れた感度を示すことを示している。一方、短周期二重星系では星の回転による線幅拡大の影響で径速度法の感度が制限される。

ABSTRACT

Searches for planets in close binary systems explore the degree to which stellar multiplicity inhibits or promotes planet formation. There is a degeneracy between planet formation models when only systems with single stars are studied--several mechanisms appear to be able to produce such a final result. This degeneracy is lifted by searching for planets in binary systems; the resulting detections (or evidence of non-existence) of planets in binaries isolates which models may contribute to how planets form in nature. In this chapter, we consider observational efforts to detect planetary companions to binary stars in two types of hierarchical planet-binary configurations: first ``S-type'' planets which orbit just one of the stars, with the binary period being much longer than the planet's; second, ``P-type'' or circumbinary planets, where the planet simultaneously orbits both stars, and the planetary orbital period is much longer than that of the binary. The S-type planet finding techniques are different for binaries that can or cannot be spatially resolved. For wider systems, techniques reviewed include dualstar interferometric differential astrometry and precision radial velocities. Alternatively, unresolved binaries can be studied using modified dualstar "PHASES-style" differential astrometry or a modification of the radial velocity technique for composite spectra. Should a fortunately aligned--but still long period--binary be found, eclipse timing can also reveal the presence of S-type planets. Methods for detecting P-type planets include the composite-spectra variant of the radial velocity technique and eclipse timing.

研究の動機と目的

• 二重星系の惑星を研究することで、惑星形成モデルのデグレーシーを解消する手がかりを得ること。
• S型およびP型惑星の検出に向けたアストロメトリー、径速度、食時系列手法の有効性を評価すること。
• 星の回転や望遠鏡の口径といった現実的な観測制約のもとで、各手法の感度限界を定量化すること。
• 特に短周期系において、循環型惑星を効果的に検出するための最適な観測戦略を特定すること。
• 大気の乱流と機器の精度が、干渉計におけるアストロメトリック測定に与える影響を評価すること。

提案手法

• 2つのビームを合成する干渉計を用いて、微小な光路差（遅延）を1μm未塔の精度で測定し、マイクロアーキセコンド級のアストロメトリーを実現する。
• 20 m s⁻¹の精度制限を考慮した径速度法を適用し、5日以下の公軌道周期を持つ潮汐ロックされた星の線幅拡大を反映させる。
• 食の時系列変動（ETVs）を用いて、食を示す二重星系における惑星の重力的影響を検出する。重力的引き寄せによる時系列残差をモデル化する。
• 観測回数、星の等級、望遠鏡口径、系のパラメータを組み込んだ、時系列精度の式（式28）を用いて感度曲線を導出する。
• 太陽質量の星を仮定し、望遠鏡口径を変化させながら、径速度と時系列観測の検出限界を比較する。
• 大気の乱流が縞の可視度と光路遅延に与える影響を組み込み、高精度アストロメトリーのためには短い露光と正確な基準長（±100 μm）を必要とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アストロメトリー、径速度、食時系列といった観測手法は、二重星系におけるS型およびP型惑星の検出において、どのように比較されるか？
• RQ2 星の回転と線幅拡大の影響により、短周期二重星系における径速度測定の根本的な感度限界は何か？
• RQ3 望遠鏡口径、等級、観測回数が、循環型惑星の検出に向けた食時系列精度にどのように影響するか？
• RQ4 大気の乱流は、光学干渉計におけるアストロメトリック精度をどのように制限するか？
• RQ5 二重星系の惑星同伴を検出するにあたり、径速度法と食時系列法の感度が交差する公軌道周期はどの程度か？

主な発見

• 2.5 mの宇宙望遠鏡（例：HST や SOFIA）を用いた食時系列法では、循環型惑星の感度が0.19 M_Jまで達する。これは長周期系において径速度法を上回る性能を示す。
• 径速度測定の精度は20 m s⁻¹に制限されるが、公軌道周期が5日以下の星では潮汐ロックと線幅拡大の影響により、20 m s⁻¹未満の精度にまで低下する。
• 10日周期の二重星系では、地上の1 m望遠鏡を用いた食時系列法で約0.19 M_Jの同伴を検出可能であり、10 m望遠鏡では感度が約3倍向上する。
• ホット・ジュピターを伴う単一星系における外側の惑星の検出感度は、循環型系と比較して8倍低下し、検出可能なのは質量の大きな同伴に限られる。
• V等級が10の星に対して、3 m s⁻¹の径速度観測は、0.5 m望遠鏡を用いた軌道時系列観測よりも、60年までの周期の同伴に対して感度が優れる。
• HST/SOFIAクラスの望遠鏡では、約15年周期で食時系列法が径速度法の感度を上回るが、地上の0.5 m望遠鏡ではそのような交差は見られない。