[論文レビュー] SDSS-III: Massive Spectroscopic Surveys of the Distant Universe, the Milky Way Galaxy, and Extra-Solar Planetary Systems

Daniel J. Eisenstein, David H. Weinberg+238 more|Jan 7, 2011

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 18

ひとこと要約

本論文は、SDSS-IIIフレームワーク内でのMARVELS系外惑星サーベイの包括的な収量予測を提示する。星の等級分布、径運動速度の不確実性、惑星周頻度分布に基づく統計的シミュレーションを用いて、検出可能な惑星をモデル化している。4年間のサーベイ期間中に約150〜200個の惑星が検出されると予測され、1000日までの周期の木星質量惑星に対して感度を持つ。

ABSTRACT

Building on the legacy of the Sloan Digital Sky Survey (SDSS-I and II), SDSS-III is a program of four spectroscopic surveys on three scientific themes: dark energy and cosmological parameters, the history and structure of the Milky Way, and the population of giant planets around other stars. In keeping with SDSS tradition, SDSS-III will provide regular public releases of all its data, beginning with SDSS DR8 (which occurred in Jan 2011). This paper presents an overview of the four SDSS-III surveys. BOSS will measure redshifts of 1.5 million massive galaxies and Lya forest spectra of 150,000 quasars, using the BAO feature of large scale structure to obtain percent-level determinations of the distance scale and Hubble expansion rate at z<0.7 and at z~2.5. SEGUE-2, which is now completed, measured medium-resolution (R=1800) optical spectra of 118,000 stars in a variety of target categories, probing chemical evolution, stellar kinematics and substructure, and the mass profile of the dark matter halo from the solar neighborhood to distances of 100 kpc. APOGEE will obtain high-resolution (R~30,000), high signal-to-noise (S/N>100 per resolution element), H-band (1.51-1.70 micron) spectra of 10^5 evolved, late-type stars, measuring separate abundances for ~15 elements per star and creating the first high-precision spectroscopic survey of all Galactic stellar populations (bulge, bar, disks, halo) with a uniform set of stellar tracers and spectral diagnostics. MARVELS will monitor radial velocities of more than 8000 FGK stars with the sensitivity and cadence (10-40 m/s, ~24 visits per star) needed to detect giant planets with periods up to two years, providing an unprecedented data set for understanding the formation and dynamical evolution of giant planet systems. (Abridged)

研究の動機と目的

• 星の標的、径運動速度ノイズ、惑星周頻度分布に関する現実的な仮定に基づき、MARVELSサーベイにおける検出可能な系外惑星の数を予測すること。
• 観測時間の損失、観測間隔、信号対雑音比の閾値といった観測制約が惑星検出効率に与える影響をモデル化すること。
• 特に10〜1000日という範囲において、質量と公軌道周期が異なる惑星に対するMARVELSサーベイの感度を定量化すること。
• 統計的検出閾値に起因する誤検出の期待数と、その後続観測の必要性を推定すること。
• 惑星系に対する経験的および理論的事前分布を用いて、時間領域分光サーベイにおける系外惑星収量を予測するフレームワークを提供すること。

提案手法

• 2011年以降、$ f_{\text{lost}} = 0.25 $ として、$ N_* = N_{\text{fiber}} \times \frac{N_e N_m}{N_{\text{obs}}} \times (1 - f_{\text{lost}}) $ の式を用いて、1フィールドあたりの監視星数をシミュレートする。
• 光子ノイズと散乱をモデル化するため、各等級帯ごとの径運動速度不確実性に、分散0.2の対数正規分布を適用する。
• 惑星周頻度分布として、$ \frac{dN_p}{d\ln m_p d\ln P} \propto m_p^{-0.31} $ のべき乗則を適用し、$ P < 300 $ 日では $ C(P) = 0.00186 $、$ P > 300 $ 日では $ C(P) = 0.0093 $ とする。
• 信号対雑音比 $ Q = \left(\frac{N_{\text{obs}}}{2}\right)^{1/2} \frac{K}{\sigma} $ を用いて検出可能性を定義し、誤検出確率 $ F = (3 \times 10^3)^{-1} $ から導出される検出閾値 $ z_0 $ を用いる。
• 検出可能性を決定するためにヘヴィサイドのステップ関数 $ \Theta[z - z_0] $ を使用し、$ m_p > M_{\text{Jup}} $ および $ P < 10 $ 日の場合は除外する。
• 等級帯、惑星質量および周期の範囲、速度不確実性分布の積分を実行し、合計で予想される検出数を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 4年間のベースラインにおいて、MARVELSサーベイで検出可能な系外惑星の期待数は何か？
• RQ2 惑星の公軌道周期と質量に応じて、検出収量はどのように変化するか。特に10〜1000日という範囲で。
• RQ3 径運動速度測定の不確実性と観測間隔が、低振幅の惑星信号に対する感度に与える影響は何か？
• RQ4 統計的フラクチュエーションに起因する誤検出は、どの程度の数になると予想され、その後続観測はどの程度必要か？
• RQ5 惑星周頻度分布に関する仮定が、連続的べき乗則モデルと比較して予測収量に与える影響は何か？

主な発見

• 2011年以降、観測時間の25％を失うと仮定した場合、MARVELSサーベイは4年間の観測期間中に約150〜200個の系外惑星を検出すると予測される。
• 特に300〜1000日という範囲において、1000日までの周期の木星質量惑星（最大$ 2M_{\text{Jup}} $）に対して高い感度を示す。
• RV不確実性の対数正規分布の分散の選択にかかわらず、収量はわずか約27％の変動にとどまり、それほど感度が高くない。
• 連続的べき乗則モデルを採用すれば収量は増加するが、現在の段階関数による切り捨てはより慎重な見積もりを提供する。
• 誤検出確率閾値 $ F = (3 \times 10^3)^{-1} $ に起因して、約3件の誤検出が予想され、その後続観測が不可避となる。
• 検出閾値 $ z_0 $ は、$ \sim 10^4 $ 個の星に対して誤検出の確率が許容可能な低水準に保たれるように、統計的基準から導出されている。