[論文レビュー] Testing the Planet-Metallicity Correlation in M-dwarfs with Gemini GNIRS Spectra

Mélissa J. Hobson, E. Jofré+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、ジェミニGNIRS機器を用いた高分解能近赤外分光法を用いて、M型矮星における惑星-金属量相関を検証した。惑星を有するM型矮星、特に巨大惑星を有する星は、惑星を持たない星よりも顕著に金属量が高く、これは惑星形成のコア降着モデルを支持するものであり、GNIRSがM型矮星における星のパラメータを正確に導出できる信頼性を持つことを示している。

ABSTRACT

While the planet-metallicity correlation for FGK main-sequence stars hosting giant planets is well established, the results are not so clear for M-dwarf stars, for which precise metallicity measurements are not straightforward. However, new techniques using near infrared spectra show promising results. Using these, we determine stellar parameters and metallicities for a sample of 16 M-dwarf stars, 11 of which host planets, with near-infrared spectra from the Gemini Near-Infrared Spectrograph (GNIRS). We find that M-dwarfs with planets are preferentially metal-rich compared to those without planets. This result, based on GNIRS spectra, is supported by the analysis of a relatively larger sample of M stars with planets (18 in total) and a control sample of 213 M stars without known planets, obtained from the catalogue of Terrien et al. (2015). This, on the one hand, coincides with the trend (not only for M- but also for solar-type stars) reported in the literature and, on the other hand, demonstrates the utility of GNIRS spectra to obtain reliable stellar parameters of M stars. We also find that M dwarfs that harbor giant planets are preferentially more metallic than those associated with low-mass planets (Neptune or super-Earth type). This trend also agrees with that previously reported for solar-type stars. These results would favor the core accretion model for planetary formation.

研究の動機と目的

• FGK型星で観測された惑星-金属量相関がM型矮星にも適用可能かどうかを調査し、惑星を有するM型矮星が惑星を持たない星と比較して金属量に過剰を示すかを検討する。
• ジェミニGNIRS機器による近赤外分光法が、特に金属量を含むM型矮星の星のパラメータを正確に導出できるかを評価する。
• 金属量が惑星の質量や種別（例：巨大惑星対海王星型・スーパーアース型）と相関するかを検討し、惑星形成モデルを検証する。
• 初期のGNIRS観測に加え、より大きな独立したサンプル（Terrienら、2015年）を用いて、観測された傾向が一貫しているかを評価する。
• 測定誤差やサンプルバイアスを考慮した上で、金属量の差が統計的に有意かつ頑健であるかを検証する。

提案手法

• ジェミニ・ノース望遠鏡に搭載されたジェミニ近赤外分光計（GNIRS）を用いて、16個のM型矮星（うち11個は既知の惑星を有する）の中分解能近赤外分光法を取得した。
• Rojas-Ayala ら（2012）、Terrien ら（2012）、Mann ら（2013）のKバンド校正法を応用し、GNIRS分光法から金属量を導出した。
• Newton ら（2015）の校正法を用いて、同一分光法から星のパラメータ（効果的温度、半径、光度）を決定した。
• Terrien ら（2015）のカタログに掲載された213個の非惑星宿主M型矮星を対照群として、惑星宿主M型矮星の金属量分布と比較した。
• GNIRSサンプルおよびより大きなカタログサンプルの両方において、金属量と惑星パラメータ（公軌道周期、離心率、最小質量）との相関を分析した。
• Kolmogorov-Smirnov検定を用いて結果の統計的有意性を評価し、特に低質量惑星の$M\sin i$測定値の不確実性に対応した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 惑星を有するM型矮星は、既知の惑星を持たないM型矮星と比較して金属量が高くなるか？
• RQ2 M型矮星における惑星-金属量相関は、惑星形成のコア降着モデルと整合的か？
• RQ3 少なくともジュピター質量相当の惑星を有するM型矮星は、海王星型またはスーパーアース型惑星を有するM型矮星と比較して顕著に金属量が高いか？
• RQ4 GNIRS分光法はM型矮星の星の金属量およびその他のパラメータを信頼できる精度で決定できるか？
• RQ5 初期のGNIRS観測に加え、より大きな独立したサンプルに拡張した場合でも、観測された相関が頑健であるか？

主な発見

• 惑星を有するM型矮星は、惑星を持たない星と比較して顕著に金属量が高く、GNIRSサンプルでは金属量過剰が約0.10 dexに相当する。
• より大きなサンプル（18個の惑星宿主M型矮星と213個の非宿主M型矮星）においても、惑星-金属量相関が確認された。
• 少なくともジュピター質量相当の惑星を有するM型矮星は、海王星型またはスーパーアース型惑星を有するM型矮星よりも金属量が高いが、後者群には顕著な金属量過剰は認められない。
• 惑星宿主の金属量分布は、対照群とは統計的に有意に異なることが判明し、ランダムなばらつきを超える有意性（p値）を示した。
• GNIRS分光法は金属量を含む星のパラメータを信頼できる精度で提供しており、誤差範囲内で文献値と良好に一致した。
• 観測された傾向（巨大惑星では金属量が高く、一般に惑星-金属量相関が成立）は、M型矮星における惑星形成のコア降着モデルを支持する。