[論文レビュー] The HARPS search for southern extra-solar planets. III. Three Saturn-mass planets around HD 93083, HD 101930 and HD 102117

C. Lovis, M. Mayor+9 more|ArXiv.org|Mar 30, 2005

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 20被引用数 34

ひとこと要約

本論文は、パラオス・スルタ天文台に設置されたESO 3.6 m望遠鏡のHARPS分光計を用いた高精度径速度測定から、3つの木星質量程度の中程度の質量を有する系外惑星—HD 93083 b、HD 101930 b、HD 102117 b—の発見を報告している。それぞれの最小質量は0.37、0.30、0.14 M_Jupであり、0.1–0.5 AUの軌道を周回している。これらの惑星は、コア降着および移動モデルがその存在を説明しづらいパラメータ空間に位置しており、現在の惑星形成理論に挑戦するものである。

ABSTRACT

We report on the detection of three Saturn-mass planets discovered with the HARPS instrument. HD 93083 shows radial-velocity (RV) variations best explained by the presence of a companion of 0.37 M_Jup orbiting in 143.6 days. HD 101930 b has an orbital period of 70.5 days and a minimum mass of 0.30 M_Jup. For HD 102117, we present the independent detection of a companion with m2sini = 0.14 M_Jup and orbital period P = 20.7 days. This planet was recently detected by Tinney et al. (2004). Activity and bisector indicators exclude any significant RV perturbations of stellar origin, reinforcing the planetary interpretation of the RV variations. The radial-velocity residuals around the Keplerian fits are 2.0, 1.8 and 0.9 m/s respectively, showing the unprecedented RV accuracy achieved with HARPS. A sample of stable stars observed with HARPS is also presented to illustrate the long-term precision of the instrument. All three stars are metal-rich, confirming the now well-established relation between planet occurrence and metallicity. The new planets are all in the Saturn-mass range, orbiting at moderate distance from their parent star, thereby occupying an area of the parameter space which seems difficult to populate according to planet formation theories. A systematic exploration of these regions will provide new constraints on formation scenarios in the near future.

研究の動機と目的

• 高精度径速度測定を用いて、0.1–0.5 AUの範囲に位置する低質量系外惑星を検出すること。
• 質量-周期ダイアグラムの、形成理論が困難とされる領域に惑星が存在することを確認することで、惑星形成理論の限界を検証すること。
• 安定で活動度が低い星のサンプルにおいて、金属量と惑星出現率の相関関係を確認すること。
• HARPSが1 m s⁻¹未満の残差を達成するという、類例のない径速度精度を示すこと。
• 0.1–0.4 M_Jupの質量を有する惑星が中程度の軌道距離に存在することを特定することで、コア降着および移動モデルに対する制約を提供すること。

提案手法

• 高精度径速度測定は、パラオス・スルタ天文台のESO 3.6 m望遠鏡に搭載されたHARPS分光計を用いて実施された。
• 径速度は、星のテンプレートとの相互相関を用いて算出され、同時に取得されたランプ光（ThAr）を用いて機器のドリフトを補正した。
• フォトン制限精度は、Connes (1985)およびBouchyら (2001)の式を用いて推定され、S/N ≈ 100の条件下で1測定あたり0.5–1 m s⁻¹の精度が達成された。
• RVデータにケプラー軌道フィットを適用し、周期、半振幅、離心率、および最小質量（m₂sin i）を含む軌道要素を決定した。
• 星の活動度およびバイセクタスパンの指標を分析し、RV変動の星起源の可能性を除外することで、惑星解釈の妥当性を確認した。
• HARPSの長期的安定性は、約700日間にわたり観測された12個の安定で活動度が低い星のサンプルを用いて検証され、機器ドリフトが1 m s⁻¹未満であることが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HARPSは、中程度の軌道距離（0.1–0.5 AU）に位置するサトゥルニアン質量程度の中程度の質量の惑星を検出可能か？
• RQ2 0.1–0.5 AUの軌道に、質量が0.1–0.4 M_Jup程度の惑星が存在する場合、現在のコア降着および移動モデルがその存在を説明できるか？
• RQ3 新たに発見された系において、金属量と惑星出現率の相関関係が確認されるか？
• RQ4 星の活動度および機器ドリフトは、低振幅のRV信号検出をどの程度制限するか？
• RQ5 HARPSとCORALIEのデータを併用することで、長周期および低質量の惑星系の特徴づけがどの程度向上するか？

主な発見

• HD 93083 bは、最小質量が0.37 M_Jup、公転周期が143.6日、半振幅が35.5 m s⁻¹である。
• HD 101930 bは、最小質量が0.30 M_Jup、公転周期が70.5日、半振幅が27.0 m s⁻¹である。
• HD 102117 bは、最小質量が0.14 M_Jup、公転周期が20.7日、半振幅が10.2 m s⁻¹である。
• 3つの系の径速度残差はそれぞれ2.0、1.8、0.9 m s⁻¹であり、HARPSが1 m s⁻¹未満の精度を達成していることを確認している。
• 星の活動度およびバイセクタスパンの指標は、顕著な摂動を示さず、RV変動が惑星由来であることを支持している。
• 3つの主星とも金属過剰（log [Fe/H] > 0）であり、惑星出現率と星の金属量の相関関係が強化されている。