[논문 리뷰] The CARMENES search for exoplanets around M dwarfs -- Planet occurrence rates from a subsample of 71 stars

S. Sabotta, Martin Schlecker외 26명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 08.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 103인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고정밀 측정을 통해 71개의 M형 항성에서 확보한 도전 속도 데이터를 분석하여 행성 발생률을 측정한다. 감지 편향을 보정하기 위해 주입-회수 실험을 사용하며, 1–10 M⊕ 및 P ≤ 100 d 범위에서 낮은 질량의 행성이 매우 높은 발생률(1.32颗 per star)을 보이며, 특히 늦은 M형 항성에서 단기 궤도를 도는 경우가 많다. 이는 G형 항성보다 거대 행성의 발생률이 훨씬 낮음을 시사한다.

ABSTRACT

The CARMENES exoplanet survey of M dwarfs has obtained more than 18 000 spectra of 329 nearby M dwarfs over the past five years as part of its guaranteed time observations (GTO) program. We determine planet occurrence rates with the 71 stars from the GTO program for which we have more than 50 observations. We use injection-and-retrieval experiments on the radial-velocity (RV) time series to measure detection probabilities. We include 27 planets in 21 planetary systems in our analysis. We find 0.06+0.04-0.03 giant planets (100 M_Earth < M_pl sin i < 1000 M_Earth) per star in periods of up to 1000 d, but due to a selection bias this number could be up to a factor of five lower in the whole 329-star sample. The upper limit for hot Jupiters (orbital period of less than 10 d) is 0.03 planets per star, while the occurrence rate of planets with intermediate masses (10 M_Earth < M_pl sin i < 100 M_Earth) is 0.18+0.07-0.05 planets per star. Less massive planets with 1 M_Earth < M_pl sin i < 10 M_Earth are very abundant, with an estimated rate of 1.32+0.33-0.31 planets per star for periods of up to 100 d. When considering only late M dwarfs with masses M_star < 0.34 M_sol, planets more massive than 10 M_Earth become rare. Instead, low-mass planets with periods shorter than 10 d are significantly overabundant. For orbital periods shorter than 100 d, our results confirm the known stellar mass dependences from the Kepler survey: M dwarfs host fewer giant planets and at least two times more planets with M_pl sin i < 10 M_Earth than G-type stars. In contrast to previous results, planets around our sample of very low-mass stars have a higher occurrence rate in short-period orbits of less than 10 d. Our results demonstrate the need to take into account host star masses in planet formation models.

연구 동기 및 목표

• 대표적인 71개 항성의 고정밀 측정을 바탕으로 도전 속도 데이터를 활용해 M형 항성 주위의 행성 발생률을 결정하는 것.
• 감지 편향을 보정하기 위해 주입-회수 실험을 사용하여 진짜 행성 감지 확률을 추정하는 것.
• 행성 질량과 궤도 주기의 변화에 따라 발생률이 어떻게 달라지는지, 특히 주계측 항성 질량과의 관계를 조사하는 것.
• 태양형 항성과 비교해 낮은 질량의 M형 항성 시스템에서 행성 형성 효율이 유의미하게 다를지 테스트하는 것.
• 특히 낮은 질량의 행성에 대해 항성 질량이 행성 질량과 궤도 주기 분포에 어떤 영향을 미치는지 평가하는 것.

제안 방법

• 다양한 질량과 궤도 주기를 가진 가짜 행성을 주입하고 회수하는 실험을 통해 도전 속도 시계열 데이터에서 감지 가능성을 추정하였다.
• 신뢰할 수 있는 감지 한계를 확보하기 위해 50건 이상의 도전 속도 관측치를 확보한 71개의 M형 항성 샘플을 사용하였다.
• 감지 효율과 발생률 추정을 校정하기 위해 21개의 행성계에 속한 27개의 행성을 분석에 통합하였다.
• 선택 효과와 측정 불확실성까지 고려하여 신뢰구간을 포함한 발생률을 유도하기 위해 통계적 방법을 적용하였다.
• 특히 M⋆ < 0.34 M☉인 늦은 M형 항성에 초점을 맞춰 결과를 항성 질량별로 분리하여 질량 의존적 경향을 분석하였다.
• 행성 집단 분포의 일관성과 편차를 확인하기 위해 Kepler 조사 결과와 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 감지 편향을 보정한 후, M형 항성 주위에서 궤도 주기가 100일 이내인 낮은 질량의 행성(1–10 M⊕)의 진짜 발생률은 얼마인가요?
• RQ2 M형 항성 시스템에서 거대 행성(100–1000 M⊕)의 발생률은 궤도 주기와 어떻게 달라지며, G형 항성보다 낮은가요?
• RQ3 M형 항성 주위에서 화성형 거대 행성(Hot Jupiters, P < 10 d)은 태양형 항성보다 유의미하게 적게 발견되며, 그 발생률의 상한선은 얼마인가요?
• RQ4 Kepler 데이터가 제시한 바와 같이, 매우 낮은 질량의 M형 항성(M⋆ < 0.34 M☉)에서 단기 궤도(P < 10 d)의 행성 발생률이 증가하는가요?
• RQ5 관측된 행성 발생 경향은 현재의 행성 형성 모델, 특히 핵 축적 모델을 어떻게 도전하거나 지지합니까?

주요 결과

• 궤도 주기가 100일 이내인 낮은 질량의 행성(1–10 M⊕)의 발생률은 1.32⁺⁰.³³₋₀.³¹颗 per star로 나타나 M형 항성 주위에 매우 풍부함을 시사한다.
• 중간 질량의 행성(10–100 M⊕)의 발생률은 0.18⁺⁰.⁰⁷₋₀.⁰⁵颗 per star이며, 궤도 주기가 길수록 빈도가 높아지는 경향이 있다.
• 1000일 이내 궤도 주기에서 거대 행성(100–1000 M⊕)의 발생률은 0.06⁺⁰.⁰⁴₋₀.⁰³颗 per star로 나타나 G형 항성 주위보다 유의미하게 낮다.
• M⋆ < 0.34 M☉인 늦은 M형 항성에서는 단기 궤도(P < 10 d)의 낮은 질량 행성이 유의미하게 과잉 존재하며, 이는 이러한 시스템에서 행성 형성 효율이 높아졌음을 시사한다.
• 현재 샘플의 감지 편향은 전체 329개 항성의 CARMENES 샘플에서 거대 행성 발생률을 최대 5배까지 과대평가할 수 있다.
• 결과는 M형 항성에서 100일 이내로 Mₚ sin i < 10 M⊕인 낮은 질량의 행성이 G형 항성보다 적어도 두 배 이상 많다는 점을 확인하며, 단기 궤도에서의 행성 분포에 대한 이전의 가정을 도전한다.