[論文レビュー] The mass of planet GJ676A b from ground-based astrometry: A planetary system with two mature gas giants suitable for direct imaging

J. Sahlmann, P. F. Lazorenko+11 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 75被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、VLT/FORS2機器を用いた地上望遠鏡のアストロメトリーを用いて、系外惑星GJ 676A bの真の質量を特定し、6.7⁺¹.⁸₋₁.₅ M_Jの質量が得られた。これは径速度法から得られた最小質量よりも40%高い。研究では、この系に2つのガス惑星（bおよびc）が存在することを確認し、それらが将来のミッション（WFIRSTなど）による直接画像化の優れた標的であることが示された。これは、大規模な投影分離と成熟した年齢のおかげである。

ABSTRACT

GJ676A is an M0 dwarf hosting both gas-giant and super-Earth-type planets discovered with radial-velocity measurements. Using FORS2/VLT, we obtained position measurements of the star in the plane of the sky that tightly constrain its astrometric reflex motion caused by the super-Jupiter planet `b` in a 1052-day orbit. This allows us to determine the mass of this planet to $M_\mathrm{b} = 6.7^{+1.8}_{-1.5}\,M_\mathrm{J}$, which is $\sim$40 \% higher than the minimum mass inferred from the radial-velocity orbit. Using new HARPS radial-velocity measurements, we improve upon the orbital parameters of the inner low-mass planets `d` and `e` and we determine the orbital period of the outer giant planet `c` to $P_\mathrm{c}=7340$ days under the assumption of a circular orbit. The preliminary minimum mass of planet `c` is $M_\mathrm{c} \sin i = 6.8\,M_\mathrm{J}$ with an upper limit of $\sim$$39\,M_\mathrm{J}$ that we set using NACO/VLT high-contrast imaging. We also determine precise parallaxes and relative proper motions for both GJ676A and its wide M3 companion GJ676B. Despite the probably mature age of the system, the masses and projected separations ($\sim$0.1" -- 0.4") of planets `b` and `c` make them promising targets for direct imaging with future instruments in space and on extremely large telescopes. In particular, we estimate that GJ676A b and GJ676A c are promising targets for directly detecting their reflected light with the WFIRST space mission. Our study demonstrates the synergy of radial-velocity and astrometric surveys that is necessary to identify the best targets for such a mission.

研究の動機と目的

• 高精度な地上アストロメトリーを用いて、系外惑星GJ 676A bの真の質量を特定すること。
• 新しいHARPS径速度データを用いて、内側のスーパーエアス惑星dおよびeの軌道パラメータを改善すること。
• 円軌道を仮定した場合に、外側の巨大惑星cの軌道周期と最小質量を制約すること。
• 高コントラストNACO/VLT撮像を用いて、惑星cの質量に上限を設定すること。
• 将来の宇宙および地上望遠鏡による反射光および熱放射の直接画像化の可能性を評価すること。

提案手法

• 2010年から2012年にかけて、VLTのFORS2機器を用いてGJ 676Aの高精度アストロメトリー測定を実施し、1エポックあたりの精度が約0.1 masに達した。
• アストロメトリー測定データとHARPSからの径速度測定データを統合し、軌道解を精緻化し、軌道の傾きを特定した。
• 測定されたアストロメトリックな反射運動を用いて、軌道幾何学的関係を適用し、径速度法に内在する傾きの不確かさを補正することで、惑星bの真の質量を導出した。
• NACO/VLTを用いた高コントラスト撮像を適用し、惑星cの質量に上限を~39 M_Jとして設定した。これは、その最小質量6.8 M_J sin iと整合的である。
• GJ 676Aおよびその広いM3型伴星GJ 676Bの正確なパラレラックスと相対的自己運動を決定した。
• 投影分離と系の年齢に基づいて、WFIRSTを用いた反射光検出の信号対雑音比を推定することで、系の直接画像化可能性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 系外惑星GJ 676A bの真の質量は何か？ また、径速度測定から得られた最小質量と比べてどう異なるか？
• RQ2 外側の巨大惑星cの軌道周期と最小質量は何か？ その傾きと質量にどのような制約を課すことができるか？
• RQ3 NACO/VLTを用いた高コントラスト撮像により、惑星cの質量に上限を設定できるか？
• RQ4 アストロメトリーと径速度データが併用されることで、この太陽系の軌道エフェマリスはどの程度改善されるか？
• RQ5 GJ 676A系の外側のガス惑星は、将来のミッション（WFIRSTなど）による反射光の直接画像化の適切な標的となるか？

主な発見

• 惑星GJ 676A bの真の質量は6.7⁺¹.⁸₋₁.₅ M_Jと特定され、径速度法から得られた最小質量4.9 M_Jよりも40%高い。
• 円軌道を仮定した場合、惑星cの軌道周期は7340日と制約され、最小質量は6.8 M_J sin iである。
• NACO/VLTを用いた高コントラスト撮像により、惑星cの質量に上限として~39 M_Jが設定された。これは、それが白色矮星である可能性が低いことを示している。
• 系の外側の惑星bおよびcは、それぞれ約0.1–0.4弧秒の投影分離を示しており、将来の機器による直接画像化の有望な標的である。
• 系の成熟した年齢（約1 Gyr）と大きな投影分離から、GJ 676A bおよびcは、WFIRST宇宙ミッションによる反射光の直接検出に適した標的であると考えられる。
• 径速度法とアストロメトリーの両方の調査が、高コントラスト画像化ミッションの最適標的を特定するために不可欠であることが示された。