[논문 리뷰] Impact of Binary Stars on Planet Statistics -- I. Planet Occurrence Rates, Trends with Stellar Mass, and Wide Companions to Hot Jupiter Hosts

Maxwell Moe, Kaitlin M. Kratter|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 03.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 6인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 밀접한 쌍성 항성군이 원행성 주위의 행성 형성과 통계적 행성 발생률에 영향을 미치며, 이를 보정함으로써 행성 발생률을 보정함으로써, 단일 G형 주계열성에 대한 작은 행성의 진짜 발생률이 케플러의 전 G형 주계열성 샘플에서 유추된 것보다 2.1 ± 0.3배 높다는 것을 밝혀냈다. 이는 반사 운동법과 전행 관측법 간의 모순을 해결한다.

ABSTRACT

Close binaries suppress the formation of circumstellar (S-type) planets and therefore significantly bias the inferred planet occurrence rates and statistical trends. After compiling various radial velocity and high-resolution imaging surveys, we determine that binaries with a < 1 au fully suppress S-type planets, binaries with a = 10 au host close planets at 15% the occurrence rate of single stars, and wide binaries with a > 200 au have a negligible effect on close planet formation. We show that F = 43% +/- 7% of solar-type primaries do not host close planets due to suppression by close stellar companions. By removing spectroscopic binaries from their samples, radial velocity surveys for giant planets boost their detection rates by a factor of 1/(1-F) = 1.8 +/- 0.2 compared to transiting surveys. This selection bias fully accounts for the discrepancy in hot Jupiter occurrence rates inferred from these two detection methods. Correcting for both planet suppression by close binaries and transit dilution by wide binaries, the occurrence rate of small planets orbiting single G-dwarfs is 2.1 +/- 0.3 times larger than the rate inferred from all G-dwarfs in the Kepler survey. Additionally, about half (but not all) of the observed increase in small, short-period planets toward low-mass hosts can be explained by the corresponding decrease in the binary fraction. Finally, we demonstrate that the apparent enhancement of wide stellar companions to hot Jupiter hosts is due to multiple selection effects. Very close binaries, brown dwarf companions, and massive planets with M_2 > 7 M_J within a < 0.2 au preferentially have metal-poor hosts and wide tertiary companions, but genuine hot Jupiters with M_p = 0.2-4 M_J that formed via core accretion instead favor metal-rich hosts and do not exhibit a statistically significant excess of wide stellar companions.

연구 동기 및 목표

• 밀접한 쌍성 항성군이 원행성 주위의 S형(planet-forming) 행성 형성에 얼마나 억제 작용을 하는지 정량화하고, 통계적 행성 발생률에 미치는 편향을 규명하는 것.
• 반사 운동법과 전행 관측법 간의 열수성 행성 발생률 격차를 밀접한 쌍성에 의한 선택 편향을 규명함으로써 해결하는 것.
• 작은 행성의 발생률과 항성 질량 간의 관계를 설명하는 데 이중성 비율의 경향이 어떻게 기여하는지 평가하는 것.
• 열수성 행성 주위에 관측된 광범위한 별 형성물의 초과 현상이 선택 효과의 결과인지, 물리적 강화의 결과인지 판단하는 것.
• 핵 축적과 중력 붕괴 형성 경로를 금속성 농도와 넓은 형성물 통계 자료를 통해 열수성 행성과 질량이 큰 밀접한 형성물 간의 형성 메커니즘을 구분하는 것.

제안 방법

• 다양한 간격 범위(1 AU 이하, 1–10 AU, 10–200 AU, 200 AU 이상)에서 행성 주위 항성의 이중성 비율을 측정하기 위해 반사 운동법 및 고해상도 영상 관측법을 통합하고 통일시켰다.
• 관측된 이중성 비율과 이중성 시스템 내 디스크 절단 및 난류 이론 모델을 사용하여 행성 발생률 억제 요인을 계산하였다.
• 넓은 이중성 관측법에 대한 완전성 보정을 적용하여, 행성 주위의 넓은 형성물 탐지에 대한 감도 한계와 선택 편향을 보정하였다.
• 금속성 농도 측정값과 질량 분포 분석을 통해 밀접한 형성물의 핵 축적과 중력 붕괴 형성 경로를 구분하였다.
• 케플러에서 유도된 발생률에 영향을 미치는 밀접한 이중성에 의한 행성 억제와 넓은 이중성에 의한 전행 희석의 병합 효과를 모델링하였다.
• 단일 항성의 보정된 발생률을 케플러의 전 G형 주계열성 샘플에서 유도된 발생률과 비교하여 편향 정도를 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1 AU 이하의 밀접한 이중성 항성군이 S형 행성 형성에 얼마나 억제 작용을 하며, 발생률 추정치에 얼마나 큰 편향을 초래하는가?
• RQ2 왜 반사 운동법과 전행 관측법은 열수성 행성 발생률에 대해 서로 다른 결과를 내놓는가? 이는 이중성에 의한 선택 편향으로 설명될 수 있는가?
• RQ3 주변 항성 질량에 따라 작은 행성의 발생률이 변화하는 경향이 이중성 비율의 차이에서 기인하는가, 아니면 내재된 행성 형성 물리학에서 기인하는가?
• RQ4 열수성 행성 주위에 관측된 광범위한 별 형성물의 초과 현상은 실제 존재하는가, 아니면 선택 효과나 잘못된 신호의 오염 때문인가?
• RQ5 핵 축적 경로로 형성된 열수성 행성은 통계적으로 유의미하게 더 많은 넓은 형성물을 보이며, 이는 질량이 큰 밀접한 형성물이나 백색왜성과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 1 AU 이하의 간격을 가진 이중성 항성군은 S형 행성 형성을 완전히 억제하며, 10 AU 간격의 이중성 항성군은 단일 항성군 대비 15% ± 17%의 속도로 행성을 형성한다.
• 200 AU 이상의 간격을 가진 넓은 이중성 항성군은 밀접한 행성 형성에 거의 영향을 주지 않으며, 유의미한 억제 효과는 관측되지 않는다.
• 태양형 항성의 43% ± 7%는 밀접한 별 형성물에 의해 행성 형성이 억제되어 있기 때문에, 반사 운동법 관측법에서의 편향이 설명된다.
• 이중성에 의한 억제와 전행 희석을 보정한 결과, 단일 G형 주계열성 주위에서 작은 행성의 진짜 발생률은 케플러에서 유추된 값보다 2.1 ± 0.3배 높다.
• 반사 운동법과 전행 관측법 간의 열수성 행성 발생률 격차는 반사 운동법 관측법이 분광학적 이중성을 배제하기 때문에 발생하며, 이는 탐지율을 1.8 ± 0.2배 높이는 원인이다.
• 낮은 질량을 가진 항성으로 향하는 작은, 단주기 행성 발생률 증가의 절반은 항성 질량 감소에 따른 이중성 비율 감소 때문인 것으로 추정된다.