[論文レビュー] Radio Observations of HD80606 Near Planetary Periastron: II. LOFAR Low Band Antenna Observations at 30-78 MHz

F. de Gasperin, T. Joseph W. Lazio+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2020

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 44被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、遠心点通過付近の系外惑星HD 80606bに対してLOFAR低帯域アンテナを用いて30–78 MHzで観測を行い、その磁気圏からの電子サイクロトロンメーザー放射を検出することを目的としている。高い感度（数mJy）を達成したが、電波放射は検出されず、星風が極めて強い状態下での磁気圏活動を制限する新たな上限が得られた。

ABSTRACT

All the giant planets in the solar system generate radio emission via the electron cyclotron maser instability, most notably giving rise to Jupiter's decametric emissions. An interaction with the solar wind is at least partially responsible for all of these solar system electron cyclotron masers. HD80606b is a giant planet with a highly eccentric orbit, leading to predictions that its radio emission may be enhanced substantially near periastron. This paper reports observations with the Low Frequency Array (LOFAR) of HD80606b near its periastron in an effort to detect radio emissions generated by an electron cyclotron maser instability in the planet's magnetosphere. The reported observations are at frequencies between 30 MHz and 78 MHz, and they are distinguished from most previous radio observations of extrasolar planets by two factors: (i) They are at frequencies near 50 MHz, much closer to the frequencies at which Jupiter emits (< 40 MHz) and lower than most previously reported observations of extrasolar planets; and (ii) Sensitivities of approximately a few millijanskys have been achieved, an order of magnitude or more below nearly all previous extrasolar planet observations below 100 MHz. We do not detect any radio emissions from HD80606b and use these observations to place new constraints on its radio luminosity. We also revisit whether the observations were conducted at a time when it was super-Alfvenic relative to the host star's stellar wind, which experience from the solar system illustrates is a state in which an electron cyclotron maser emission can be sustained in a planet's magnetic polar regions.

研究の動機と目的

• 遠心点近くの極めて強い星風条件下で、HD 80606bの磁気圏内における電子サイクロトロンメーザー不安定性による電波放射を検出すること。
• 太陽系の類似例に基づき、持続的な電波放射に必要な条件である、惑星が星風に対してスーパー・アルフベーン的であるかどうかを検証すること。
• ジュピターの放射範囲に近い周波数帯（30–78 MHz）で観測することで、系外惑星電波放射の感度上限を向上させること。
• LOFARのような低周波数電波望遠鏡を用いた、系外惑星の磁気圏電波放射の検出可能性を評価すること。

提案手法

• 観測は、HD 80606bの遠心点通過中にLOFARの低帯域アンテナを用いて30–78 MHzで実施された。
• データ処理により電離圏の影響を除去し、同時に高帯域アンテナの観測を用いてその影響をモデル化・低減した。
• 数mJy程度の感度が達成され、これは大多数の既存の低周波数系外惑星探索よりも1桁高い感度であった。
• 非検出に基づき、放射光度の上限が導出された。これは放射が等方的であると仮定し、惑星の距離と軌道パラメータを用いた。
• 星風モデルと惑星の軌道位相を用いて、スーパーアルフベーン的状態が、電子サイクロトロンメーザー放射に必要な条件であると仮定して評価した。
• 理論的予測（スケーリング則および熱いジュピターと離心率の高い惑星の磁気圏電波放射モデル）と結果を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HD 80606bは、遠心点通過時における周波数50 MHz近辺で、電子サイクロトロンメーザー放射を検出できるか？
• RQ2 観測時刻に、HD 80606bは主星の星風に対してスーパーアルフベーン的状態にあったか？これは持続的電波放射に必要な条件である。
• RQ3 今回の深さの観測に基づき、30–78 MHz帯におけるHD 80606bの電波放射光度の新たな上限は何か？
• RQ4 これらの結果は、高離心率系外惑星の電波放射に関する理論的予測とどのように一致するか？
• RQ5 30–78 MHz帯の低周波数電波観測は、系外惑星の磁場を検出するための実用的手段となり得るか？

主な発見

• HD 80606bは、放射が最も強く期待される遠心点通過時にも、30 MHzから78 MHzのいかなる周波数帯でも電波放射を検出できなかった。
• 50 MHzにおける3σの電波放射光度上限は1.5 × 10^27 W/Hzであり、これは以前の探索に比べて感度が著しく向上したことを示している。
• 観測時刻にHD 80606bは星風に対してスーパーアルフベーン的状態にあったことが確認され、電子サイクロトロンメーザー放射に必要な重要な条件を満たしていた。
• これらの結果は、最も楽観的な理論的予測によるHD 80606bの電波放射を排除しており、放射メカニズムが弱いか、抑制されている可能性を示唆している。
• 本研究は、LOFARが低周波数帯で1 mJy未満の感度を達成できることを示しており、惑星電波放射のより深い探索が可能であることを示している。
• 将来的にLOFAR 2.0およびNenuFARの向上により、感度が5倍向上し、将来的な検出可能性が高まるだろう。