[論文レビュー] The VLT/NaCo large program to probe the occurrence of exoplanets and brown dwarfs at wide orbits II. Survey description, results, and performances

G. Chauvin, A. Vigan+30 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|May 7, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 9被引用数 70

ひとこと要約

本研究では、86個の若い太陽型星をVLT/NaCoを用いて深く高コントラストな画像撮影することで、広い軌道（10–2000 AU）における巨大系外惑星および褐色矮星の存在頻度を調査した。回転差分画像法と複数エポックの観測を用い、50–300 AUの範囲で5 M_Jup以上の系外惑星の95%信頼区間上限を15%、10 M_Jup以上のものを10%と導出し、広い軌道における質量の大きな同伴天体はまれであることが確認された。

ABSTRACT

In anticipation of the VLT/SPHERE planet imager guaranteed time programs, we have conducted a preparatory survey of 86 stars between 2009 and 2013 in order to identify new faint comoving companions to ultimately carry out a comprehensive analysis of the occurence of giant planets and brown dwarf companions at wide (10-2000 AU) orbits around young, solar-type stars. We used NaCo at VLT to explore the occurrence rate of giant planets and brown dwarfs between typically 0.1 and 8''. Diffraction-limited observations in H-band combined with angular differential imaging enabled us to reach primary star-companion brightness ratios as small as 10-6 at 1.5''. 12 systems were resolved as new binaries, including the discovery of a new white dwarf companion to the star HD8049. Around 34 stars, at least one companion candidate was detected in the observed field of view. More than 400 faint sources were detected, 90% of them in 4 crowded fields. With the exception of HD8049B, we did not identify any new comoving companions. The survey also led to spatially resolved images of the thin debris disk around HD\,61005 that have been published earlier. Finally, considering the survey detection limits, we derive a preliminary upper limit on the frequency of giant planets for semi-major axes of [10,2000] AU: typically less than 15% between 100 and 500 AU, and less than 10% between 50 and 500 AU for exoplanets more massive than 5 MJup and 10 MJup respectively, considering a uniform input distribution and with a confidence level of 95%.

研究の動機と目的

• 直接画像法を用いて、若い太陽型星の周囲に広い軌道（10–2000 AU）にある巨大系外惑星および褐色矮星の存在頻度を調査すること。
• 高コントラストで回折限界に近い観測により、若い星の周囲に存在する微弱で共動する同伴天体を特定・特徴づけること。
• 検出限界を確立し、統計的解析を実施して、広い軌道における質量の大きな同伴天体の頻度を制約すること。
• 将来的なVLT/SPHEREおよびELT時代の惑星画像調査の準備として、包括的かつ公開可能なデータセットを構築すること。
• 理論的惑星形成モデルを検証するため、広い軌道における同伴天体の軌道的・質量的分布に関する実証的制約を提供すること。

提案手法

• 適応望遠鏡と回転差分画像法（ADI）を用いて、VLT/NaCoのHバンドで、スプルツルノイズを低減するための深さのある画像観測を実施した。
• 各標的に対して複数エポックのデータを取得し、運動速度解析を用いて共動する同伴天体と背景天体を区別した。
• 1.5″で約10⁻⁶のコントラストまで微弱な点状光源を検出可能な高度な画像処理技術を適用した。
• 同伴天体の質量および半長径の均一な入力分布に基づき、各星の検出確率を、調査の感度とノイズ特性を考慮して計算した。
• 候補状態が完全に特定された63個の星の結果を統合し、95%信頼区間を用いて同伴天体頻度の統計的上限を導出した。
• すべてのデータ、検出限界、および候補天体の位置・光度をDIVAデータベースに公開し、コミュニティの利用および将来的な統計的分析を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 若い太陽型星の周囲に広い軌道（10–2000 AU）にある巨大系外惑星および褐色矮星の存在頻度はどの程度か？
• RQ2 観測サンプル全体を通じて、検出限界と感度はどのように変化するか？ また、5 M_Jup以上の惑星を検出可能なシステムの割合はどの程度か？
• RQ3 観測された星に対して新たな共動する同伴天体は存在するか？ その物理的性質は何か？
• RQ4 検出確率と統計的上限は、惑星形成メカニズムの理論的予測とどのように比較できるか？
• RQ5 本調査の結果は、広い分離距離における惑星の移動・形成モデルをどの程度まで制約するか？

主な発見

• 本調査では12個の新しい連星系が検出され、そのうちHD 8049 Bとして白色矮星の同伴天体が発見された。その効果的温度はT_eff = 18800 ± 2100 K、質量は0.56 ± 0.08 M_⊙であった。
• 空間分解能のあるHバンド画像から、HD 61005の周囲に狭くずれたリング状のデブリディスクが確認され、未発見の惑星的同伴天体による動的摂動の可能性が示唆された。
• 候補状態が完全に特定された63個の星において、半長径60–400 AUの範囲で10 M_Jup以上の質量の惑星および褐色矮星に対して50%の感度が得られた。
• 50–800 AUの範囲で5 M_Jupの惑星を検出可能なのは、観測された星のうち10%にとどまり、低質量で広い軌道の惑星に対して感度が低いことが示された。
• 100–300 AUの範囲で5 M_Jup以上の系外惑星の存在頻度について95%信頼区間の上限が15%、50–300 AUの範囲で10 M_Jup以上のものを10%と導出された。
• 結果は、広い軌道に位置する質量の大きなガス惑星的同伴天体はまれであるという結論を支持しており、コア吸着モデルと整合的であり、大分離距離における重力不安定性が主な形成メカニズムであるとする仮説に挑戦するものである。