[論文レビュー] The Occurrence of Potentially Habitable Planets Orbiting M Dwarfs Estimated from the Full Kepler Dataset and an Empirical Measurement of the Detection Sensitivity

Courtney D. Dressing, David Charbonneau|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 37

ひとこと要約

本研究では、全ケプラー観測データと検出感度の経験的測定を用いて、M型矮星の周囲における生命が存在可能な惑星の出現頻度を推定している。1つの星に2,000個の合成トランジットを注入し、誤検出を補正することで、保守的ハビタブルゾーンでは1つのM型矮星あたり0.16⁺⁰.¹⁷₋₀.₀₇個の地球サイズと0.12⁺⁰.¹⁰₋₀.₀⁵個のスーパーリアス惑星が存在すると判明した。非トランジット候補では、このような惑星は約2.6 pc圏内に、トランジット候補では約10.6 pc圏内に存在すると考えられる。

ABSTRACT

We present an improved estimate of the occurrence rate of small planets orbiting small stars by searching the full four-year Kepler data set for transiting planets using our own planet detection pipeline and conducting transit injection and recovery simulations to empirically measure the search completeness of our pipeline. We identified 156 planet candidates, including one object that was not previously identified as a Kepler Object of Interest. We inspected all publicly available follow-up images, observing notes, and centroid analyses, and corrected for the likelihood of false positives. We evaluated the sensitivity of our detection pipeline on a star-by-star basis by injecting 2000 transit signals into the light curve of each target star. For periods shorter than 50 days, we find 0.56 (+0.06/-0.05) Earth-size planets (1-1.5 Earth radii) and 0.46 (+0.07/-0.05) super-Earths (1.5-2 Earth radii) per M dwarf. In total, we estimate a cumulative planet occurrence rate of $2.5\\pm0.2$ planets per M dwarf with radii 1-4 Earth radii and periods shorter than 200 days. Within a conservatively defined habitable zone based on the moist greenhouse inner limit and maximum greenhouse outer limit, we estimate an occurrence rate of 0.16 (+0.17/-0.07) Earth-size planets and 0.12 (+0.10/-0.05) super-Earths per M dwarf habitable zone. Adopting the broader insolation boundaries of the recent Venus and early Mars limits yields a higher estimate of 0.24 (+0.18/-0.08) Earth-size planets and 0.21 (+0.11/-0.06) super-Earths per M dwarf habitable zone. This suggests that the nearest potentially habitable non-transiting and transiting Earth-size planets are $2.6\\pm0.4$ pc and 10.6 (+1.6/-1.8) pc away, respectively. If we include super-Earths, these distances diminish to $2.1\\pm0.2$ pc and 8.6 (+0.7/-0.8) pc.

研究の動機と目的

• 4年間の全ケプラー観測データを用いて、M型矮星周囲の小惑星出現頻度を改善する。
• 低質量星の星のパラメータを再評価することで、ケプラー入力カタログのバイアスを是正する。
• フォローアップ画像、セントロイドシフト、観測メモを分析することで、誤検出の汚染を低減する。
• パイプラインの完全性を評価するために、各星に2,000個の合成トランジット信号を注入して、経験的感度を測定する。
• 半径1–4 R⊕で周期が200日未塔の惑星の累積出現頻度と、ハビタブルゾーン内の出現頻度を導出する。

提案手法

• 全ケプラー光曲線にカスタム惑星検出パイプラインを適用し、惑星候補を同定した。
• トランジットの注入と回収シミュレーションを実施し、星ごとの検出完全性を測定した。
• 光度およびアストロメトリックなフォローアップデータを用いて、誤検出確率を評価・是正した。
• 各ターゲット星の光曲線に2,000個の合成トランジット信号を注入することで、経験的感度測定を実施した。
• 完全性と誤検出補正を考慮した統計的フレームワークを用いて出現頻度を計算した。
• ハビタブルゾーンを、保守的（湿潤温室から最大温室）および広義の（最近の金星から初期の火星）の放射収支限界を用いて定義した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 検出完全性と誤検出の補正を施した上で、M型矮星周囲における地球サイズおよびスーパーリアス惑星の真の出現頻度は何か？
• RQ2 ケプラーパイプラインの検出感度は、異なる星および惑星パラメータに応じてどのように変化するか？
• RQ3 M型矮星周囲で、半径1–4 R⊕で公軌道周期が200日未塔の惑星の累積出現頻度は何か？
• RQ4 保守的および広義のハビタブルゾーン定義において、M型矮星1つあたりの潜在的ハビタブルな地球サイズおよびスーパーリアス惑星はそれぞれ何個存在すると予想されるか？
• RQ5 M型矮星の周囲で、潜在的ハビタブルな非トランジットおよびトランジットの地球サイズ惑星の最近接距離は予測されるか？

主な発見

• 周期50日未塔の地球サイズ惑星（1–1.5 R⊕）の出現頻度は、1つのM型矮星あたり0.56⁺⁰.⁰⁶₋₀.⁰⁵である。
• 周期50日未塔のスーパーリアス惑星（1.5–2 R⊕）の出現頻度は、1つのM型矮星あたり0.46⁺⁰.⁰⁷₋₀.⁰⁵である。
• 半径1–4 R⊕で周期200日未塔の惑星の累積出現頻度は、1つのM型矮星あたり2.5±0.2である。
• 保守的ハビタブルゾーンでは、1つのM型矮星あたり0.16⁺⁰.¹⁷₋₀.₀⁷個の地球サイズと0.12⁺⁰.¹⁰₋₀.₀⁵個のスーパーリアス惑星が存在する。
• 広義の放射収支限界を用いるとう、出現頻度は0.24⁺⁰.¹⁸₋₀.₀⁸個の地球サイズと0.21⁺⁰.¹¹₋₀.₀⁶個のスーパーリアス惑星に増加する。
• 潜在的ハビタブルな非トランジット地球サイズ惑星の最近接距離は2.6±0.4 pc、トランジット惑星は10.6⁺¹.⁶₋₁.⁸ pcと推定される。