[論文レビュー] The International Deep Planet Survey II: The frequency of directly imaged giant exoplanets with stellar mass

R. Galicher, Christian Marois+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 103被引用数 62

ひとこと要約

本研究は、292個の若い近傍星を14年間にわたり観測した国際的直接画像法系外惑星調査（IDPS II）を提示する。先進的な適応光学機器を用いて、巨大系外惑星を直接撮像した。ベイズモンテカルロシミュレーションと一様なデータ処理を用い、20–300 AUの軌道上に0.5–14 MJupの巨大惑星が1つ以上存在する星の割合は1.05%（95%信用区間：+2.80/-0.70%）であると判明した。これは従来の推定頻度を顕著に低減しており、広い軌道の巨大惑星の出現頻度は、母星質量に依存しないことが示された。

ABSTRACT

Radial velocity and transit methods are effective for the study of short orbital period exoplanets but they hardly probe objects at large separations for which direct imaging can be used. We carried out the international deep planet survey of 292 young nearby stars to search for giant exoplanets and determine their frequency. We developed a pipeline for a uniform processing of all the data that we have recorded with NIRC2/Keck II, NIRI/Gemini North, NICI/Gemini South, and NACO/VLT for 14 years. The pipeline first applies cosmetic corrections and then reduces the speckle intensity to enhance the contrast in the images. The main result of the international deep planet survey is the discovery of the HR 8799 exoplanets. We also detected 59 visual multiple systems including 16 new binary stars and 2 new triple stellar systems, as well as 2,279 point-like sources. We used Monte Carlo simulations and the Bayesian theorem to determine that 1.05[+2.80-0.70]% of stars harbor at least one giant planet between 0.5 and 14M_J and between 20 and 300 AU. This result is obtained assuming uniform distributions of planet masses and semi-major axes. If we consider power law distributions as measured for close-in planets instead, the derived frequency is 2.30[+5.95-1.55]%, recalling the strong impact of assumptions on Monte Carlo output distributions. We also find no evidence that the derived frequency depends on the mass of the hosting star, whereas it does for close-in planets. The international deep planet survey provides a database of confirmed background sources that may be useful for other exoplanet direct imaging surveys. It also puts new constraints on the number of stars with at least one giant planet reducing by a factor of two the frequencies derived by almost all previous works.

研究の動機と目的

• 若い近傍星の広い軌道分離度（20–300 AU）における巨大系外惑星の頻度を、直接撮像法を用いて特定すること。
• 複数の望遠鏡と観測キャンペーンを横断的に適用した一様なデータ処理と厳密な統計モデリングにより、系外惑星頻度推定値の不確実性を低減すること。
• 広い軌道の巨大惑星の出現頻度が、母星質量に依存するかどうかを評価すること、特にBAF星とGKM星を比較して検討すること。
• 将来的な直接撮像調査の支援を目的として、背景源、多重系、および確認済み惑星の公に利用可能な確認済みカタログを提供すること。
• 惑星質量および軌道分布モデルの前提仮定（例えば、惑星質量や軌道の分布）が、導出された頻度推定値に与える影響を評価すること。

提案手法

• 4台の主要望遠鏡（Keck II/NIRC2、Gemini North/NIRI、Gemini South/NICI、VLT/NACO）から得られた約3万枚の赤外フレームを処理するための一様なデータ還元パイプラインを開発した。
• パイプラインは装飾補正およびスペーキル抑制技術を適用し、H、CH4、K、Lpバンドにおいて1"で通常12.5 ± 2.5 magのコントラストを達成した。
• 検出限界を、調査感度、ノイズ、点像関数特性に基づいてモデル化するためにモンテカルロシミュレーションを用いた。
• 検出限界と確認済み系外惑星の検出結果（例：HR 8799惑星）を統合するためにベイズ推論を適用し、惑星頻度の事後分布を導出する。
• 惑星質量および半長径の両方について一様分布とべき乗則分布を用いて、事前仮定への感度を検証した。
• 最終的な頻度推定値は、IDPSサンプルに補足的調査（Lafrenière et al. 2007a, Chauvin et al. 2010）を統合することで得られ、サンプルは356個の星で構成され、中央値年齢は100 Myr、中央値距離は37 pcであった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 若い近傍星の広い分離度（20–300 AU）に、0.5–14 MJupの巨大系外惑星が実際にどの程度の頻度で存在するのであろうか？
• RQ2 母星の質量に応じて、広い軌道の巨大惑星の頻度はどのように変化するのであろうか？
• RQ3 惑星質量および軌道分布に関する仮定が、導出された頻度推定値にどの程度の影響を及ぼすのであろうか？
• RQ4 一様なデータ処理パイプラインは、複数の機器を横断して直接撮像調査の信頼性と一貫性を向上させることができるのであろうか？
• RQ5 確認済みの背景源および多重系の貢献は、全体の検出率および統計的モデリングにどの程度影響を及ぼすのであろうか？

主な発見

• 2,279個の点状源が検出され、その多くが背景対象として確認された。4つの確認済み系外惑星（HR 8799系として識別された）が存在した。
• 本研究は、20–300 AUの軌道上に0.5–14 MJupの巨大惑星が1つ以上存在する星の頻度が1.05%（95%信用区間：+2.80/-0.70%）であると報告している。
• 惑星質量および半長径にべき乗則分布を仮定した場合（近軌道惑星から推定されたもの）、頻度は2.30%（+5.95/-1.55%）に上昇し、事前仮定への強い依存性が示された。
• 広い軌道の巨大惑星の出現頻度と母星質量との間に顕著な相関は認められず、これは近軌道惑星で観察された傾向とは対照的である。
• 従来の報告頻度は2倍以上低減されており、異なる仮定を用いても一貫性を示していることから、結果の信頼性が裏付けられている。
• 本調査は、確認済みの背景源および多重系の公に利用可能な高精度カタログを提供しており、将来的な直接撮像調査を支援するものである。