[論文レビュー] Planets around evolved intermediate-mass stars. I. Two substellar companions in the open clusters NGC 2423 and NGC 4349

C. Lovis, M. Mayor|ArXiv.org|Jun 14, 2007

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 50被引用数 147

ひとこと要約

本研究では、HARPSおよびCoralieを用いた高精度分光法を用いて、開放集団NGC 2423およびNGC 4349の進化した中質量星において、最初の径速度検出がなされた巨大惑星（10.6 M_Jup）および褐色矮星（19.8 M_Jup）を報告する。研究結果は、1.5～4 M☉の星の周囲に質量の大きな惑星がより多く存在することを示唆しており、惑星形成効率が星の質量および原始惑星環の質量に比例することを示している。

ABSTRACT

Context. Many efforts are being made to characterize extrasolar planetary systems and unveil the fundamental mechanisms of planet formation. An important aspect of the problem, which remains largely unknown, is to understand how the planet formation process depends on the mass of the parent star. In particular, as most planets discovered to date orbit a solar-mass primary, little is known about planet formation around more massive stars. Aims. To investigate this point, we present first results from a radial velocity planet search around red giants in the clump of intermediate-age open clusters. We choose clusters harbouring red giants with masses between 1.5 and 4 M_sun, using the well-known cluster parameters to accurately determine the stellar masses. We are therefore exploring a poorly-known domain of primary masses, which will bring new insights into the properties of extrasolar planetary systems. Methods. We are following a sample of about 115 red giants with the Coralie and HARPS spectrographs to obtain high-precision radial velocity (RV) measurements and detect giant planets around these stars. We use bisector and activity index diagnostics to distinguish between planetary-induced RV variations and stellar photospheric jitter. Results. We present the discoveries of a giant planet and a brown dwarf in the open clusters NGC 2423 and NGC 4349, orbiting the 2.4 M_sun-star NGC2423 No3 (TYC 5409-2156-1) and the 3.9 M_sun-star NGC4349 No127 (TYC 8975-2606-1). These low-mass companions have orbital periods of 714 and 678 days and minimum masses of 10.6 and 19.8 M_jup, respectively. Combined with the other known planetary systems, these detections indicate that the frequency of massive planets is higher around intermediate-mass stars, and therefore probably scales with the mass of the protoplanetary disk.

研究の動機と目的

• 中質量星（1.5–4 M☉）の周囲における惑星形成を調査する。これは太陽型星と比較して未だ十分に調査されていない分野である。
• フィールドの赤色特徴星における星の質量推定値の不確実性を、正確な集団パラメータを用いて制御することで克服する。
• 高精度の径速度測定を用いて、進化した中質量星の周囲に存在する巨大惑星および褐色矮星を検出し、特徴づける。
• 惑星の出現頻度および質量分布が、特に質量の大きな惑星に関して、主星の質量にどのように依存するかを評価する。
• バイセクタおよび活性度インデックスの診断を用いて、星の活動性や光球層のゆらぎと惑星由来の径速度変動を区別する。

提案手法

• HARPSおよびCoralie分光計を用いて、中年齢の開放集団内の約115個の赤色特徴星を高精度径速度モニタリングした。
• 年齢、金属量、距離といった星団パラメータを用いて、クリンプ領域に位置する赤色特徴星の正確な質量を決定し、不確実性を±0.5 M☉未満に抑えた。
• バイセクタスパンおよびクロモスフィア活性度インデックスの診断を用いて、惑星由来の径速度変動と星の固有のゆらぎを分離した。
• 惑星同伴の検出に一貫したしきい値を適用し、40 M_Jupまでの対象を含めることで、質量の大きな惑星および褐色矮星の調査に偏りがないようにした。
• 最小質量が13 M_Jup以上で、公軌道周期が1000日未塔の対象を惑星候補として定義し、近接連星系を除外した。
• 星の質量ごとのステアリング・バインに応じた惑星出現頻度および平均惑星系質量を計算し、星の質量スペクトル全体にわたる傾向を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 開放集団における進化した中質量星（1.5–4 M☉）の周囲に、質量の大きな惑星および褐色矮星がどれほど存在するか？
• RQ2 巨大惑星の出現率は、主星の質量にどのように依存するか。特に太陽型星および低質量星と比較してどうか？
• RQ3 星の固有の変動性が著しい状況下でも、高精度径速度サーベイが進化した中質量星の惑星信号を検出可能か？
• RQ4 惑星系の質量分布は、主星の質量に比例するか。これは惑星形成モデルにどのような意味を持つか？
• RQ5 観測された傾向は、コア蓄積説またはディスク不安定性説のどちらと整合するか？

主な発見

• 2.4 M☉の赤色特徴星NGC2423 No3の周囲に、最小質量10.6 M_Jup、公軌道周期714日である巨大惑星が検出された。
• 3.9 M☉の赤色特徴星NGC4349 No127の周囲に、最小質量19.8 M_Jup、公軌道周期678日である褐色矮星が発見された。
• 中質量星における惑星出現頻度（200対象中2.5%）は、太陽型星の0.5%よりも顕著に高く、この差が偶然に生じる確率は0.3%である。
• 惑星系の平均質量は、主星の質量に比例して増加しており、合計惑星質量が星の質量に比例する傾向があることを示唆しており、より質量の大きな星の周囲ではより大きな原始惑星環があると一致する。
• 一部のコア蓄積モデルが1 M☉を超える星では巨大惑星の出現頻度が低下すると予測しているのに対し、本研究の結果は中質量星の周囲で質量の大きな惑星がより多く形成されることを示しており、中質量星の周囲では惑星形成効率がより高いことを示唆している。
• 集団環境における質量の大きな同伴天体の検出は、星の活動性を注意深くモニタリング・補正すれば、進化した中質量星の径速度サーベイが実用的であることを支持する。