[논문 리뷰] New Planetary Systems from the Calan-Hertfordshire Extrasolar Planet Search and the Core Accretion Mass Limit

J. S. Jenkins, H. R. A. Jones외 23명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 01.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 11인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 CORALIE, HARPS 및 MIKE 분광계에서 확보한 도약 속도 데이터를 사용하여 여덟 개의 새로운 거대 행성과 네 개의 기존 행성의 궤도를 업데이트하였다. 질량 함수가 약 3 M_J 근처에서 잘린다는 것을 확인하였으며, 이는 코어 축적의 질량 한계를 시사한다. 지수 함수 피팅이 거듭 제곱 법칙보다 우수한 성능을 보이며, 행성 형성 모델에 대한 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

We report the discovery of eight new giant planets, and updated orbits for four known planets, orbiting dwarf and subgiant stars, using the CORALIE, HARPS, and MIKE instruments as part of the Calan-Hertfordshire Extrasolar Planet Search. We include radial velocity data prior- and post-2014 CORALIE upgrade and our Bayesian updating method returned a systematic offset of 19.2$\pm$4.8 m/s between the two velocity sets for our stars. The planets have masses in the range 1.1-5.4M$_{ m{J}}$s, orbital periods from 40-2900 days, and eccentricities from 0.0-0.6. They include a double-planet system orbiting the most massive star in our sample (HD147873), two eccentric giant planets (HD128356$b$ and HD154672$b$), and a rare 14~Herculis analogue (HD224538$b$). We find that there is an over-abundance of Jupiter-mass objects compared to a simple power law fit to the mass function, with a steep increase in the planet frequency around 3M$_{ m{J}}$, reflecting the increased efficiency of planet formation towards lower masses. We show that an exponential function provides a better fit to the data. This truncation of the mass function could provide the sought after upper limit of planetary-masses that can be formed by gas accretion onto a forming proto-planet, constraining future hydrodynamical models. We also confirm the growing body of evidence that low-mass planets tend to be found orbiting more metal-poor stars than giant planets, yet the functional form of the mass distribution does not change with metallicity. Finally, we observe a possible period-metallicity correlation and speculate on its origin.

연구 동기 및 목표

• 고정밀 도약 속도 데이터를 활용하여 주계열 및 준거주성 별을 공전하는 새로운 거대 행성을 식별하기.
• 행성 질량 함수의 형태를 규명하고 단순 거듭 제곱 법칙과의 편차 여부를 평가하기.
• 코어 축적을 통해 형성된 행성의 상한 질량이 존재하는지 조사하여 유체역학 모델에 제약을 가하기.
• 행성 질량 분포와 항성의 금속성 간의 관계를 분석하고, 주기-금속성 상관관계의 가능성을 고려하기.

제안 방법

• CORALIE, HARPS 및 MIKE 분광계에서 확보한 도약 속도 측정값을 사용하여 행성 신호를 탐지하기.
• 2014년 이전 및 이후의 CORALIE 기기 업그레이드 간의 체계적 오프셋 19.2 ± 4.8 m/s를 베이지안 업데이트 방법을 통해 보정하기.
• 관측된 질량 분포에 대해 거듭 제곱 법칙과 지수 함수를 모두 피팅하여 통계적 적합도를 평가하기.
• 행성 궤도 매개변수, 주계성의 금속성, 궤도 주기 간의 상관관계 분석하기.
• 이전에 알려진 행성들의 업데이트된 궤도 해법을 사용하여 전체 샘플의 일관성 향상시키기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 행성 질량 함수가 약 3 M_J 근처에서 잘림을 보이며, 코어 축적의 물리적 상한 질량을 시사하는가?
• RQ2 관측된 질량 분포에 대해 지수 함수가 단순 거듭 제곱 법칙보다 더 나은 피팅을 제공하는가?
• RQ3 저질량 행성은 금속 농도가 낮은 항성 주위에 선호적으로 형성되며, 이 선호도가 금속성에 따라 변화하는가?
• RQ4 행성 궤도 주기와 주계성의 금속성 간에 유의미한 상관관계가 존재하는가?

주요 결과

• 행성 질량 함수는 약 3 M_J 근처에서 급격히 증가하며, 낮은 질량에서의 형성 효율 향상을 시사한다.
• 지수 함수가 거듭 제곱 법칙보다 데이터에 유의미하게 더 나은 피팅을 제공하며, 질량 함수의 물리적 잘림을 시사한다.
• 2014년 이전 및 이후의 CORALIE 데이터 간에 체계적 속도 오프셋 19.2 ± 4.8 m/s를 확인하였으며, 베이지안 업데이트를 통해 보정하였다.
• 이 연구는 저질량 행성이 금속 농도가 낮은 항성 주위에 더 자주 발견된다는 점을 확인하였지만, 금속성에 관계없이 질량 분포의 기능적 형태는 변화가 없음을 확인하였다.
• 주기-금속성 상관관계가 가능하게 관측되었지만, 그 기원은 여전히 추측에 머물러 있다.
• 결과는 코어 축적을 통해 형성된 행성의 후보 상한 질량 한계를 제시하며, 향후 유체역학 모델에 제약 조건을 제공한다.