[논문 리뷰] Extrasolar planets and brown dwarfs around AF-type stars. X.The SOPHIE northern sample. Combining the SOPHIE and HARPS surveys to compute the close giant planet mass-period distribution around AF-type stars

S. Borgniet, A.‐M. Lagrange외 32명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 26.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 125개의 남반구 주계열 AF형 항성 주위의 근접 거대 행성 및 백색왜성 후보자들을 특성화하기 위해 SOPHIE 및 HARPS 설문조사의 반직경 속도 데이터를 결합한다. 질량 <1.5 M☉인 항성에서 2–3 au 내에서의 목성질량 행성 발생률은 3.7% (−1/+3%)로 나타났으며, 백색왜성 후보자에 대해서는 상한선 4%, 단기 주기 행성에 대해서는 3–4.5%로 제한되며, 이는 FGK 항성에서의 추세와 일치하며 항성 질량에 따른 이동 차이 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

The impact of the stellar mass on the giant planet properties is still to be fully understood. Main-Sequence (MS) stars more massive than the Sun remain relatively unexplored in radial velocity (RV) surveys, due to their characteristics that hinder classical RV measurements. Our aim is to characterize the close (up to 2.5 au) giant planet (GP) and brown dwarf (BD) population around AF MS stars and compare this population to stars with different masses. We used the SOPHIE spectrograph located on the 1.93m telescope at Observatoire de Haute-Provence to observe 125 northern, MS AF dwarfs. We used our dedicated SAFIR software to compute the RV and other spectroscopic observables. We characterized the detected sub-stellar companions and computed the GP and BD occurrence rates combining the present SOPHIE survey and a similar HARPS survey. We present new data on two known planetary systems around the F5-6V dwarfs HD16232 and HD113337. For the latter, we report an additional RV variation that might be induced by a second GP on a wider orbit. We also report the detection of fifteen binaries or massive sub-stellar companions with high-amplitude RV variations or long-term RV trends. Based on 225 targets observed with SOPHIE or HARPS, we constraint the BD frequency within 2-3 au around AF stars to be below 4 percents (1-sigma). For Jupiter-mass GP within 2-3 au (periods below 1000 days), we found the occurrence rate to be 3.7 (+3/-1) percents around AF stars with masses below 1.5 solar masses, and to be below 6 percents around AF stars with masses above 1.5 solar masses. For periods smaller than 10 days, we find the GP occurrence rate to be below 3 or 4.5 percents, respectively. Our results are compatible with the GP frequency reported around FGK dwarfs and are compatible with a possible increase of GP orbital periods with the stellar mass as predicted by formation models.

연구 동기 및 목표

• 주계열 AF형 항성 주위의 근접(약 ~2 au 이내) 거대 행성 및 백색왜성 후보자들을 특성화하는 것, 이는 반직경 속도 설문조사에서 다루지 않은 분야이다.
• 항성 질량이 거대 행성 및 백색왜성 후보자의 발생률에 미치는 영향을 분석하며, 특히 FGK형 항성과의 비교를 통해 이를 조사하는 것.
• 고정밀 반직경 속도 측정을 통해 AF 항성 주위의 핫 줌프 및 질량이 큰 보조행성 후보자의 빈도를 결정하는 것.
• SOPHIE 및 HARPS 데이터를 융합하여 1–3 au 궤도 범위 내의 행성 발생률에 대한 통계적 제약을 향상시키는 것.
• 관측된 발생률이 항성 질량에 따라 변화하는 행성 형성 및 이동 이론 모델과 얼마나 일치하는지 평가하는 것.

제안 방법

• 프로베르그의 1.93m 망원경에 설치된 SOPHIE 스펙트로그래프를 사용하여 125개의 남반구 주계열 AF형 항성에 대한 반직경 속도 모니터링을 수행하였다.
• S AFIR 소프트웨어 파이프라인을 적용하여 반직경 속도와 스펙트로스코픽 지표(예: CCF, FWHM)를 계산하여 행성 신호 및 항성 이중성 신호를 탐지하였다.
• SOPHIE 데이터를 Paper IX에서 제공한 HARPS 설문조사 데이터와 융합하여 발생률 계산을 위한 표본 크기와 통계적 능력을 증가시켰다.
• 가짜 경고 확률을 계산하고 검출 완전성에 따라 고려하여 발생률 상한선을 유도하기 위해 통계적 방법을 사용하였다.
• 반직경 속도 진폭, 궤도 주기 및 추가 지표(예: 분할자 스펙트럼 폭, 상관 함수 형태)를 기반으로 신호를 분류하여 행성과 항성 이중성 간의 구분을 하였다.
• 항성 질량(<1.5 M☉ 대비 >1.5 M☉)과 궤도 주기별로 2–3 au 내에서 거대 행성(1 < m_p sin i < 13 M_Jup) 및 백색왜성 후보자의 발생률을 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주계열 AF형 항성에서 질량 <1.5 M☉인 항성 주위 2–3 au 내에서 거대 행성(1 < m_p sin i < 13 M_Jup)의 발생률은 얼마인가요?
• RQ2 AF형 항성 주위 2–3 au 내에서의 백색왜성 후보자 발생률은 FGK형 항성 또는 진화된 하위기린 항성 주위와 비교해 어떻게 다릅니까?
• RQ3 AF형 항성 주위에 유의미한 양의 핫 줌프(P < 10일)가 존재하는가, 그리고 태양형 항성 주위의 빈도와 비교해 어떻게 다릅니까?
• RQ4 AF 항성 주위의 근접 보조행성 후보자의 관측된 발생률은 항성 질량 증가에 따라 궤도 주기가 증가한다는 이론적 예측을 지지하는가?
• RQ5 SOPHIE 설문조사 결과가 HARPS 설문조사 결과와 융합되었을 때, 유사한 결과를 보였는가, 그리고 유도된 상한선의 통계적 유의성은 어떠한가?

주요 결과

• 질량 <1.5 M☉인 AF 항성 주위 2–3 au 내에서의 목성질량 행성(1 < m_p sin i < 13 M_Jup) 발생률은 90% 신뢰구간(−1%에서 +3%) 내에서 3.7%로 나타났다.
• 질량 >1.5 M☉인 AF 항성 주위 2–3 au 내에서의 목성질량 행성 발생률 상한선은 1σ 신뢰수준에서 ≤6%이다.
• AF 항성 주위 2–3 au 내에서의 백색왜성 후보자 발생률은 1σ 수준에서 4% 이하로 제약되었으며, 백색왜성 및 하위기린 항성 설문조사의 하한선과 일치한다.
• 궤도 주기가 10일 이하인 거대 행성의 발생률은 1σ 수준에서 3–4.5% 이하로 제약되었으며, 225개 대상 중에서 핫 줌프는 발견되지 않았다.
• AF 항성에서의 관측된 발생률은 FGK 주계열 항성에서 보고된 바와 호환되며, 이 범위 내에서 항성 질량 증가에 따른 행성 빈도 증가의 강한 증거는 없음을 시사한다.
• 핫 줌프가 발견되지 않았고 단기 주기 행성의 발생률이 낮은 것은, 더 높은 질량을 가진 항성이 이동 효율성이 낮아 더 긴 궤도 주기를 가진 행성을 가질 수 있다는 이론 모델과 일치한다.