[논문 리뷰] Detecting circumbinary exoplanets and hierarchical stellar triples with the LISA gravitational radiation mission

Jason H. Steffen, Dong-Hong Wu외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 09.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 LISA 임무의 데이터에서 이중 백색왜성(DWD) 이진계의 질량중심 운동으로 인한 중력파(GW)의 다프러 효과를 통해 원위성 행성과 계층적 쌍성계를 탐지하는 방법을 제안한다. 주로 이중 백색왜성 이진계의 질량중심 운동으로 인한 도플러 이동을 통해 이루어지며, 4년간의 임무 기간 동안 약 10개의 거대행성(M > 2 M_J)을 탐지할 수 있으며, 10년 임무 기간으로 연장하면 약 100개로 증가한다. 이는 고립된 별 주위의 행성 발생률과 유사한 조건을 가정할 때의 결과이다.

ABSTRACT

We investigate the possibility of detecting planetary or stellar companions orbiting white dwarf binaries using the LISA gravitational radiation detector. Specifically, we consider the acceleration of the barycenter of the white dwarf binary due to the orbiting third body as well as the effect of changes in the tidal field across the binary due to the perturber's eccentric orbit. We find that the movement of the barycenter is detectable for both stellar and planetary mass objects. If circumbinary planets occur with frequencies similar to gas giant planets around isolated main sequence stars, then we expect to find of order 10 such planets in four years of LISA observations. For a longer, ten-year mission the accessible parameter space for planetary mass, orbital period, and binary orbital period grows and LISA's associated yield increases to ~100 expected detections.

연구 동기 및 목표

• LISA 임무의 중력파 신호를 이용해 원위성 행성과 계층적 쌍성계의 탐지 가능성 평가
• 두 가지 다른 중력파 변조 메커니즘 평가: 질량중심 가속도(도플러 이동)와 tidal 필드에 의한 궤도 주기 변화
• 실제 행성 발생률과 DWD 집단 분포에 기반한 탐지 가능한 원위성 행성의 수 추정
• 궤도 파rameter와 신호 대 잡음 비율 기준으로 LISA의 행성 동반체 탐지 민감도 규명
• 행성 질량 동반체와 별 질량 동반체의 탐지 가능성 비교 및 주요 탐지 메커니즘 식별

제안 방법

• 삼중체 동반체의 궤도로 인한 DWD 이진계의 질량중심 운동으로 인한 중력파 주파수의 도플러 이동 모델링, 적산 속도 및 궤도 파rameter 활용
• 상대론적 도플러 공식과 궤도 역학을 사용하여 주파수 이동의 진폭 유도, 질량 비율, 장반경, 기울기 포함
• 비선형 궤도를 도는 삼중체로 인한 tidal 필드 변조 효과 평가, 중력파 신호의 궤도 주기 변화에 미치는 영향 계산
• DWD의 은하계 모델을 사용하여 행성 탐지에 적합한 궤도 주파수를 가진 해상도 가능한 DWD 수 추정
• Kepler 데이터에서 유도된 행성 발생률 모델(Cumming 등 2008)을 활용하여 탐지 가능한 행성 집단 추정, DWD 주위에서도 동일한 비율을 가정
• 신호 대 잡음 비율(S/N) 계산, 탐지 기준 S/N > 5 적용, 질량 및 궤도 주기 범위에 걸쳐 통합하여 기대 탐지 수 추정

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LISA는 이중 백색왜성 이진계의 질량중심 운동에 의해 변조된 중력파 신호를 통해 원위성 행성을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 제안된 두 가지 중력파 변조 메커니즘 중에서 — 질량중심 도플러 이동 또는 tidal 필드에 의한 주기 변화 — LISA에서 주로 탐지되는 신호는 무엇인가?
• RQ3 고립된 주계열 별 주위의 행성 발생률과 유사한 조건을 가정할 때, 4년 및 10년의 LISA 임무 동안 기대되는 탐지 가능한 원위성 행성의 수는 얼마인가?
• RQ4 행성의 질량과 궤도 주기가 DWD 이진계의 궤도 주파수 대비 탐지 가능성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 해상도 가능한 DWD 중에서 얼마나 많은 비율이 탐지 가능한 행성 동반체를 지니며, 천구 어디에서 이러한 탐지가 가장 가능성이 높은가?

주요 결과

• 질량중심 운동에 의한 도플러 이동 메커니즘이 주요이고 가장 탐지 가능한 신호이며, tidal 필드 변조는 일반적으로 LISA의 감도 범위를 벗어난다.
• 4년간의 LISA 임무 기간 동안 약 10개의 원위성 거대행성(M > 2 M_J)이 탐지될 것으로 기대되며, 이는 고립된 F, G, K형 항성 주위의 행성 발생률과 유사한 조건을 가정할 때의 결과이다.
• 임무 기간을 10년으로 연장하면 기대 탐지 수가 약 100개로 증가하며, 이 중 수십 개는 궤도 주기가 100일 이하인 행성이다.
• 질량이 10 M_J 이상이고 궤도 주기가 100일 이하인 행성은 거의 모든 해상도 가능한 DWD 주위에서 탐지 가능할 것이다.
• 은하수 중심부 근처에서 DWD 밀도가 높고 중력파 신호가 강하기 때문에 탐지율이 가장 높다.
• 이 방법은 전이 관측보다 더 간단한 탐지 전략을 제공한다. 중력파 신호는 안정적이며 표준 시간 영역 기법으로 분석 가능하기 때문이다.