[論文レビュー] Spectroscopic [Fe/H] for 98 extra-solar planet-host stars: Exploring the probability of planet formation

N. C. Santos, G. Israelian+1 more|CERN Bulletin|Nov 24, 2003

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 38被引用数 602

ひとこと要約

本研究では、98顆の系外惑星を有する星と41顆の非ホスト星の分光的鉄過剰度（[Fe/H]）を報告し、巨大惑星の頻度が星の金属量に強く依存することを確認した。金属量が太陽値から上昇するにつれ、巨大惑星の頻度は約3％から[Fe/H] > +0.3で25％以上に上昇する。これは、金属量依存のコア成長モデルによる惑星形成を支持する。

ABSTRACT

We present stellar parameters and metallicities, obtained from a detailed spectroscopic analysis, for a large sample of 98 stars known to be orbited by planetary mass companions (almost all known targets), as well as for a volume-limited sample of 41 stars not known to host any planet. For most of the stars the stellar parameters are revised versions of the ones presented in our previous works. However, we also present parameters for 18 stars with planets not previously published, and a compilation of stellar parameters for the remaining 4 planet-hosts for which we could not obtain a spectrum. A comparison of our stellar parameters with values of Teff, log(g), and [Fe/H] available in the literature shows a remarkable agreement. The derived [Fe/H] values are then used to confirm the previously known result that planets are more prevalent around metal-rich stars. Furthermore, we confirm that the frequency of planets is a strongly rising function of the stellar metallicity, at least for stars with [Fe/H]>0. While only about 3% of the solar metallicity stars in the CORALIE planet search sample were found to be orbited by a planet, this number increases to more than 25% for stars with [Fe/H] above +0.3. Curiously, our results also suggest that these percentages might remain relatively constant for values of [Fe/H] lower than about solar, increasing then linearly with the mass fraction of heavy elements. These results are discussed in the context of the theories of planetary formation.

研究の動機と目的

• 高分解能分光法を用いて、大規模な系外惑星ホスト星および制御星の正確な星の金属量（[Fe/H]）を決定すること。
• 星の金属量と巨大惑星同伴星の頻度との統計的関係を評価すること。
• 観測された金属量と惑星頻度の相関が、惑星形成のコア成長モデルと整合しているかどうかを検証すること。
• 文献値および三角視差測定と比較することで、星のパラメータ推定値（Teff、log g、[Fe/H]）を改善すること。
• 太陽の低い[Fe/H]値を考慮した場合、太陽は系外惑星ホスト星の中で典型的な金属量を示しているかどうかを評価すること。

提案手法

• CORALIE、FEROS、UVES、ELODIE、TNG、William Herschel望遠鏡を用いて、複数の機器で高分解能分光観測を実施した。
• 星のパラメータ（効果的温度Teff、表面重力log g、鉄候補量[Fe/H]）を導出するための詳細な分光的解析を実施した。
• B-V色と[Fe/H]を用いた新しい経験的関係式によりTeffを補正した：T_eff = 8423 - 4736(B-V) + 1106(B-V)^2 + 411[Fe/H]。この式はlog g > 4.0および-0.70 < [Fe/H] < 0.43の範囲で有効である。
• 得られたlog g値をHipparcos視差測定による推定値と比較したところ、約0.03 dex以内で一致した。
• 比較のため、41顆の非惑星ホスト星からなる体積制限サンプルを構築した。
• [Fe/H]関数としての惑星頻度を解析し、太陽金属量より上では顕著な非線形的上昇を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星の金属量（[Fe/H]）と巨大惑星の存在との間に有意な相関があるか？
• RQ2 金属量[Fe/H]が増加するにつれて、惑星ホスト星の頻度はどのように変化するか。特に、太陽金属量より上と下でどう異なるか？
• RQ3 得られた星のパラメータ（Teff、log g、[Fe/H]）は、他の独立手法による値と整合しているか？
• RQ4 太陽は、惑星ホスト星の典型的な金属量範囲内にあるのか、それとも外れ値なのか？
• RQ5 観測された傾向から、巨大惑星形成の主なメカニズムについて何が示唆されるか？

主な発見

• 導出された[Fe/H]値は、惑星ホスト星が平均場の矮星よりも顕著に金属過剰であることを確認しており、平均で約0.25 dexの過剰が認められた。
• 巨大惑星の頻度は金属量に伴い急激に上昇する：太陽金属量の星では約3％が惑星を有し、[Fe/H] > +0.3の星では25％以上に上昇する。
• [Fe/H] < 0.0（Z < 0.02）では惑星発生率が相対的に平坦であるが、Zが高くなると金属量に比例して上昇する傾向を示す。
• 分光的log g値は、Hipparcos視差測定による推定値と約0.03 dex以内で一致しており、分析の精度が裏付けられた。
• B-Vと[Fe/H]に基づく新しいTeff補正式の平均二乗誤差はわずか43 Kであり、Alonsoら（1996）の既存の補正式とも21 K以内の分散で一致した。
• 結果は、金属量が高いほど固体コアの成長が促進されるコア成長モデルを支持しており、ガス円盤不安定性はこの傾向を説明するには不適切である。