[論文レビュー] The California Legacy Survey III. On The Shoulders of (Some) Giants: The Relationship between Inner Small Planets and Outer Massive Planets

Lee J. Rosenthal, Heather A. Knutson+12 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 75被引用数 69

ひとこと要約

本研究では、カリフォルニア・レガシ・サーベイの高精度径速度データを用い、近軌道小惑星（2–30 M⊕、0.023–1 au）と遠方の大質量惑星（30–6000 M⊕、0.23–10 au）の共存を調査した。内側に小惑星を持つ系は、平均星に比べて1.7σ高い確率で外側の巨大惑星を有することが判明したが、0.3–3 auの範囲に大質量巨大惑星が存在する場合は、内側惑星の形成が抑制され、約2.2σの有意性を示した。金属量は両種の惑星を有する系でより高く、ディスク化学との関連を支持する。

ABSTRACT

We use a high-precision radial velocity survey of FGKM stars to study the conditional occurrence of two classes of planets: close-in small planets (0.023--1 au, 2--30 Earth masses) and distant giant planets (0.23--10 au, 30--6000 Earth masses). We find that $41^{+15}_{-13}\%$ of systems with a close-in, small planet also host an outer giant, compared to $17.6^{+2.4}_{-1.9}\%$ for stars irrespective of small planet presence. This implies that small planet hosts may be enhanced in outer giant occurrence compared to all stars with $1.7\sigma$ significance. Conversely, we estimate that $42^{+17}_{-13}\%$ of cold giant hosts also host an inner small planet, compared to $27.6^{+5.8}_{-4.8}\%$ of stars irrespective of cold giant presence. We also find that more massive and close-in giant planets are not associated with small inner planets. Specifically, our sample indicates that small planets are less likely to host outer giant companions more massive than approximately 120 Earth masses and within 0.3--3 au than to host less massive or more distant giant companions, with $\sim$2.2$\sigma$ confidence. This implies that massive gas giants within 0.3--3 au may suppress inner small planet formation. Additionally, we compare the host-star metallicity distributions for systems with only small planets and those with both small planets and cold giants. In agreement with previous studies, we find that stars in our survey that only host small planets have a metallicity distribution that is consistent with the broader solar-metallicity-median sample, while stars that host both small planets and gas giants are distinctly metal-rich with $\sim$2.3$\sigma$ confidence.

研究の動機と目的

• 内側に小惑星を有する系における外側巨大惑星の条件付き確率を特定すること。
• 大質量または近軌道の外側巨大惑星が、内側小惑星の形成を抑制するかどうかを評価すること。
• 小惑星のみを有する系と、小惑星と寒冷巨大惑星の両方を有する系との間で、主星の金属量分布を比較すること。
• 小惑星の多重性による惑星出現率推定の潜在的バイアスを評価すること。

提案手法

• カリフォルニア・レガシ・サーベイ（719個のFGKM型星、22年間の基準、約2 m s⁻¹の精度）の高精度径速度データを用い、惑星を検出した。
• 内側小惑星を0.023–1 auに2–30 M⊕の範囲、外側巨大惑星を0.23–10 auに30–6000 M⊕の範囲として定義した。
• 多重性バイアスを補正するため、モンテカルロシミュレーションを用いてポissonベースのモデルで少なくとも1つの小惑星を有する確率（P(1+)）を推定した。
• 周辺事後分布をマージナライズしたベイズ推論を用いて、条件付き出現確率を計算した。
• 小惑星のみを有する星と、小惑星と寒冷巨大惑星の両方を有する星の金属量分布を比較した。
• 径速度時系列データから惑星候補を検出し、妥当性を検証するためにRVSearchおよびRadVelパイプラインを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 内側小惑星を有する星が、同時に外側巨大惑星を有する条件付き確率はどの程度か？
• RQ2 大質量または近軌道の外側巨大惑星が、内側小惑星の形成を抑制するか？
• RQ3 小惑星と寒冷巨大惑星の両方を有する星の金属量は、小惑星のみを有する星と比べてどのように異なるか？
• RQ4 小惑星の多重性は、少なくとも1つの小惑星を有する確率P(1+)の推定をどの程度バイアスするか？

主な発見

• 内側小惑星を有する系の41+15−13%が外側巨大惑星を有する一方、同種の惑星を有さない星では17.6+2.4−1.9%であり、外側巨大惑星の出現率が1.7σ上昇していることが示唆された。
• 寒冷巨大惑星を有する系の42+17−13%が内側小惑星を有するが、寒冷巨大惑星を有さない星では27.6+5.8−4.8%であり、正の相関があることが示唆された。
• 0.3–3 auの範囲に120 M⊕以上の巨大惑星が存在する場合、内側小惑星の形成確率が低下し、約2.2σの有意性を示した。
• 小惑星と寒冷巨大惑星の両方を有する星は、小惑星のみを有する星よりも顕著に金属量が高く、約2.3σの信頼水準で有意であった。
• モンテカルロシミュレーションにより、小惑星の多重性がP(1+)の推定値を上昇させるバイアスをもたらすことが判明したが、ポissonモデルの仮定によりそのバイアスは緩和された。
• 結果は、0.3–3 auの範囲に大質量ガス惑星が存在することで、ディスクギャップの形成や軌道不安定化によって内側惑星の形成が抑制される可能性があるという仮説を支持する。