[논문 리뷰] Search for giant planets in M67 IV: survey results

Anna Brucalassi, J. Koppenhoefer외 10명|MPG.PuRe (Max Planck Society)|2017. 03. 13.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 66인용 수 23

한 줄 요약

이 연구는 태양 연령의 산개성단 M67을 대상으로 한 일곱 해에 걸친 근원속도 조사 결과를 제시한다. 88颗의 별을 대상으로 하며, 고정밀 스펙트로그래프(HARPS, SOPHIE, HRS, HARPS-N, CORALIE)를 사용하여 거대 행성을 탐지하였다. 세 개의 핫 조플리터와 한 개의 거대 행성을 발견하였으며, M67에서의 핫 조플리터 발생률은 약 5.7%로, 현장에서의 값보다 뚜렷하게 높았다. 그러나 총 거대 행성 빈도(~18%)는 현장 통계와 일치하였다.

ABSTRACT

We present the results of a seven-year-long radial velocity survey of a sample of 88 main-sequence and evolved stars to reveal signatures of Jupiter-mass planets in the solar-age and solar-metallicity open cluster M67. We aim at studying the frequency of giant planets in this cluster with respect to the field stars. In addition, our sample is also ideal to perform a long-term study to compare the chemical composition of stars with and without giant planets in detail. We analyzed precise radial velocity (RV) measurements obtained with five different instruments. We conducted Monte Carlo simulations to estimate the occurrence rate of giant planets in our radial velocity survey. All the planets previously announced in this RV campaign with their properties are summarized here: 3 hot Jupiters around the main-sequence stars YBP1194, YBP1514, and YBP401, and 1 giant planet around the evolved star S364. Two additional planet candidates around the stars YBP778 and S978 are also analyzed in the present work. We discuss stars that exhibit large RV variability or trends individually. For 2 additional stars, long-term trends are compatible with new binary candidates or substellar objects, which increases the total number of binary candidates detected in our campaign to 14. Based on the Doppler-detected planets discovered in this survey, we find an occurrence of giant planets of ~18.0%(+12.0/-8.0%) in the selected period-mass range. This frequency is slightly higher but consistent within the errors with the estimate for the field stars, which leads to the general conclusion that open cluster and field statistics agree. However, we find that the rate of hot Jupiters in the cluster (~5.7%(+5.5/-3.0%)) is substantially higher than in the field.

연구 동기 및 목표

• 태양 연령, 태양 금속성의 산개성단 M67에서 거대 행성의 빈도를 결정하고, 이를 현장 별 통계와 비교한다.
• 밀도 높은 성단 환경이 거대 행성, 특히 핫 조플리터의 형성 또는 생존에 영향을 주는지 조사한다.
• 균일한 성단 샘플에서 행성 보유성과 비보유성 별 간의 장기적 화학 조성 비교를 수행한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 산개성단에서의 근원속도 조사의 탐지 효율성과 완전성을 평가한다.
• 장기적인 근원속도 변화를 통해 이중성 후보 및 별보다 작은 천체를 식별하고 특성화한다.

제안 방법

• ESO 3.6m, OHP, HET, TNG, Euler 스위스 망원경에 설치된 HARPS, SOPHIE, HRS, HARPS-N, CORALIE 스펙트로그래프를 사용하여 정밀한 근원속도(RV) 측정을 수행하였다.
• 1.0에서 1000일의 궤도 주기와 0.2에서 10.0 $M_{J}$의 질량 범위에서 거대 행성의 탐지 효율을 추정하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 적용하였다.
• 관측 탐지 한계를 보정하기 위해 시뮬레이션된 행성 신호를 데이터에 주입한 통계 모델을 기반으로 거대 행성의 발생률을 계산하였다.
• 장기적인 RV 변화나 큰 산란을 보이는 별들은 이중성 시스템 또는 별보다 작은 위성의 존재 여부를 평가하기 위해 개별적으로 분석되었다.
• 스펙트럼의 주기적 또는 비주기적 RV 변화를 기반으로 도플러 탐지 방법을 사용하여 항성 근원속도 곡선에서 행성 신호를 추론하였다.
• M67의 균일한 연령과 금속성을 바탕으로, 행성 보유성 별과 비보유성 별 간의 화학 조성 비교가 가능해졌다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 선택된 궤도 주기(1.0–1000일)와 질량(0.2–10.0 $M_{J}$) 범위에서 M67 산개성단의 거대 행성 발생률은 현장 별과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ2 M67에서의 핫 조플리터 빈도는 현장과 유의미하게 다를까? 이는 밀도 높은 성단 환경에서의 행성 형성에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 M67 별의 장기적인 근원속도 변화는 이중성 시스템 또는 별보다 작은 위성의 존재를 어떻게 반영하는가?
• RQ4 성단 환경은 특히 핫 조플리터 형성에 있어 행성계의 천체역학적 진화에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ5 균일한 샘플에서 M67 별의 화학 조성을 사용하여 행성 보유성 별과 비보유성 별을 식별할 수 있는가?

주요 결과

• 주계열 별 YBP1194, YBP1514, YBP401에 대해 세 개의 확인된 핫 조플리터가 발견되었고, 퇴화된 별 S364에는 한 개의 거대 행성이 있다.
• YBP778과 S978 주변에 추가로 두 개의 행성 후보가 확인되었으며, RV 변화 패tern은 잠재적인 행성 또는 이중성 위성의 존재를 시사한다.
• 선택된 기간-질량 범위에서 거대 행성의 발생률은 약 ~18.0%로 추정되며, 90% 신뢰구간은 $^{+12.0}_{-8.0}$%이다. 이는 현장 별 통계와 일치한다.
• M67에서의 핫 조플리터 발생률은 약 ~5.7%이며, 90% 신뢰구간은 $^{+5.5}_{-3.0}$%이다. 이는 현장 빈도보다 뚜렷하게 높다.
• 두 별에서 장기적인 RV 변화는 새로운 이중성 또는 별보다 작은 후보와 일치하며, 이로 인해 조사에서의 총 이중성 또는 별보다 작은 후보 수가 14개로 증가하였다.
• 결과는 밀도 높은 성단 환경이 핫 조플리터의 형성 또는 천체역학적 이동을 촉진할 수 있다는 가설을 지지한다. 이는 별 간의 만남으로 인한 행성 불안정화 위험에도 불구하고 그렇다.