[論文レビュー] The VLT/NaCo large program to probe the occurrence of exoplanets and brown dwarfs at wide orbits. IV. Gravitational instability rarely forms wide, giant planets

A. Vigan, M. Bonavita+35 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 122被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、199 隣接する FGK 銀河系星（100 pc 以内）に対して、VLT/NaCo および過去 12 回の直接撮像調査のデータを統合し、広い公軌道をとる巨大系外惑星（1–75 M_Jup、≥20 AU）の存在頻度を分析した。モンテカルロシミュレーションおよび集団合成モデルを用いて、重力不安定性（GI）が観測された質量および分離距離分布を説明可能であることが判明した。GI によって形成された惑星系を有する星の割合はわずか 1.0–8.6% にとどまるが、観測結果と整合的である。

ABSTRACT

Understanding the formation and evolution of giant planets ($\ge$1 $M_{Jup}$) at wide orbital separation ($\ge$5 AU) is one of the goals of direct imaging. Over the past 15 years, many surveys have placed strong constraints on the occurrence rate of wide-orbit giants, mostly based on non-detections, but very few have tried to make a direct link with planet formation theories. In the present work, we combine the results of our previously published VLT/NaCo large program with the results of 12 past imaging surveys to constitute a statistical sample of 199 FGK stars within 100 pc, including 3 stars with sub-stellar companions. Using Monte Carlo simulations and assuming linear flat distributions for the mass and semi-major axis of planets, we estimate the sub-stellar companion frequency to be within 0.75-5.7% at the 68% confidence level (CL) within 20-300 AU and 0.5-75 $M_{Jup}$, which is compatible with previously published results. We also compare our results with the predictions of state-of-the-art population synthesis models based on the gravitational instability (GI) formation scenario by Forgan & Rice (2013), with and without scattering. We estimate that in both the scattered and non-scattered populations, we would be able to detect more than 30% of companions in the 1-75 $M_{Jup}$ range (95% CL). With the 3 sub-stellar detections in our sample, we estimate the fraction of stars that host a planetary system formed by GI to be within 1.0-8.6% (95% CL). We also conclude that even though GI is not common, it predicts a mass distribution of wide-orbit massive companions that is much closer to what is observed than what the core accretion scenario predicts. Finally, we associate the present paper with the release of the Direct Imaging Virtual Archive (DIVA, http://cesam.lam.fr/diva/), a public database that aims at gathering the results of past, present, and future direct imaging surveys.

研究の動機と目的

• 近接する FGK 銀河系星における広い公軌道の巨大系外惑星（≥1 M_Jup、≥20 AU）の存在頻度を、直接撮像データを用いて特定すること。
• 重力不安定性（GI）形成メカニズムが、観測された質量が大きく広い公軌道をとる準惑星的同伴星の集団を説明可能かどうかを検証すること。
• 最新の集団合成モデル（GI とコア蓄積（CA）の両方）に基づき、観測的制約と比較すること。
• GI モデルの予測が、観測された検出頻度および質量分布と統計的に整合的かどうかを評価すること。
• 今後の調査を支援するため、過去および将来の直接撮像調査結果を統合した公開データベース（DIVA）を提供すること。

提案手法

• 100 pc 以内の 199 隣接する FGK 銀河系星を対象に、VLT/NaCo の大規模プログラム（184.C-0157）および過去 12 回の直接撮像調査のデータを統合した。
• 惑星質量および半長径に線形平坦分布を仮定して、モンテカルロシミュレーションを実施し、準惑星的同伴星の頻度を推定した。
• 個々の調査の検出限界を用いて、パラメータ空間（1–75 M_Jup、20–300 AU）における同伴星の検出可能性をシミュレートした。
• 95% 確信区間（CL）の統計フレームワークを用いて、シミュレートされた検出頻度と実際の観測結果を比較した。
• Forgan & Rice (2013) の GI 用集団合成モデル（散乱あり・なし）の予測を評価し、検出可能限界を検討した。
• 過去、現在、将来の直接撮像調査結果を統合するための Direct Imaging Virtual Archive（DIVA）を公開した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直接撮像調査を用いた場合、近接する FGK 銀河系星における広い公軌道の巨大系外惑星（1–75 M_Jup、≥20 AU）の存在頻度はどの程度か？
• RQ2 重力不安定性（GI）形成メカニズムは、観測された質量が大きく広い公軌道をとる同伴星の集団を説明可能か？
• RQ3 GI によって形成された同伴星の予測された検出可能性は、サンプル内の実際の検出頻度とどのように比較されるか？
• RQ4 観測された広い公軌道の同伴星の質量および分離距離分布は、GI とコア蓄積（CA）形成モデルのどちらとより整合的か？
• RQ5 現在の調査では、GI によって形成された惑星の期待される集団がどの程度検出されており、これは形成理論にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 68% 確信区間において、20–300 AU および 0.5–75 M_Jup の範囲で準惑星的同伴星の頻度は 0.75–5.70% と推定された。
• サンプル内で 3 つの準惑星的検出が確認されたことから、重力不安定性によって形成された惑星系を有する星の割合は、95% 確信区間で 1.0–8.6% と推定された。
• GI モデルは、観測結果と比べて、広い公軌道の高質量同伴星の質量分布を著しくよく再現している。
• 散乱なしの GI 人口に対しても、1–75 M_Jup の範囲で 30% 以上の同伴星が検出可能（95% CL）であると予測され、観測頻度と整合的であった。
• 結果は Forgan & Rice (2013) の集団合成モデルと整合的であり、統計的推論にそのモデルを用いることの妥当性が裏付けられた。
• 本研究は、複数の直接撮像調査結果を統合する公開データベースである Direct Imaging Virtual Archive（DIVA）の公開を支持するものである。