[논문 리뷰] The HARPS search for southern extra-solar planets. XXIV. Companions to HD 85390, HD 90156 and HD 103197: A Neptune analogue and two intermediate mass planets

C. Mordasini, M. Mayor외 12명|arXiv (Cornell University)|2010. 10. 05.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 50인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 ESO 3.6m 망원경의 HARPS 분광계를 이용한 도전 속도 측정을 통해 세 개의 새로운 외계 행성을 발견했다: HD 90156에 대해 질량 17.98 M⊕, 궤도 주기 49.8일인 해왕성 유사 행성과, HD 103197과 HD 85390에 각각 질량 31.2 M⊕ 및 42.0 M⊕인 중간 질량 행성을 발견했다. 이러한 발견은 가스 원반의 소멸 마지막 단계 동안 형성되었으며, 낮은 가스 축적률이 해왕성 유사 행성과 목성 유사 행성 사이의 중간 조성의 원인임을 시사한다.

ABSTRACT

We report the detection of three new extrasolar planets orbiting the solar type stars HD 85390, HD 90156 and HD 103197 with the HARPS spectrograph mounted on the ESO 3.6-m telescope at La Silla observatory. HD 85390 has a planetary companion with a projected intermediate mass (42.0 Earth masses) on a 788-day orbit (a=1.52 AU) with an eccentricity of 0.41, for which there is no analogue in the solar system. A drift in the data indicates the presence of another companion on a long period orbit, which is however not covered by our measurements. HD 90156 is orbited by a warm Neptune analogue with a minimum mass of 17.98 Earth masses (1.05 Neptune masses), a period of 49.8 days (a=0.25 AU) and an eccentricity of 0.31. HD 103197 has an intermediate mass planet on a circular orbit (P=47.8 d, Msini=31.2 Earth masses). We discuss the formation of planets of intermediate mass (about 30-100 Earth masses) which should be rare inside a few AU according to core accretion formation models.

연구 동기 및 목표

• 고정밀 도전 속도 측정을 통해 태양형 항성 주위의 저질량 행성 형성물을 식별하고 특성화하는 것.
• 핵 축적 모델에서는 드문 중간 질량 행성(30–100 M⊕)의 형성 메커니즘을 조사하는 것.
• 도약 단계 동안의 가스 축적률을 분석함으로써, 새로 발견된 행성의 조성과 궤도 특성으로부터 제약을 설정하는 것.
• 원반 진화와 갭 형성의 영향이 가스 축적 행성의 최종 질량을 어떻게 제한하는지 평가하는 것.
• 관측된 행성 빈도와 질량 분포를 합성 인구와 비교함으로써 이론적 행성 형성 모델을 향상시키는 것.

제안 방법

• 도전 속도 측정은 라 실리아 관측소의 ESO 3.6m 망원경에 탑재된 HARPS 분광계를 사용하여 수행되었다.
• 도전 속도 데이터에 케플러의 궤도 모델을 적합시켜 궤도를 결정하였으며, 이완도 및 장기 경향성을 고려하였다.
• 고해상도 HARPS 스펙트럼과 문헌 자료를 기반으로 표면 온도, 금속성, 질량 등의 항성 파ameters를 유도하였다.
• 실제 질량은 무작위 궤도 기울기 가정 하에 투영 질량(M sin i)을 사용하여 추정하였다.
• 관측된 질량과 궤도 파ameters를 해석하기 위해 이론적 행성 형성 모델을 적용하였으며, 특히 도약 단계 동안의 가스 축적률에 초점을 맞추었다.
• 관측된 빈도와 이론적 예측을 비교하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 합성 행성 인구를 생성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HD 85390, HD 90156, HD 103197 주위에 새로 발견된 행성들의 궤도적 및 물리적 특성은 무엇인가?
• RQ2 중간 질량 행성(30–100 M⊕)의 질량과 조성은 도약 단계 동안의 가스 축적률을 어떻게 제약하는가?
• RQ3 왜 중간 질량 행성들은 核 축적 모델에서는 드물게 나타나며, 어떤 조건에서 그들의 형성이 가능할 수 있는가?
• RQ4 원반 진화와 갭 형성의 영향이 가스 축적 행성의 최종 질량을 얼마나 제한하는가?
• RQ5 30–100 M⊕ 범위 내에서 관측된 행성 인구는 이론적 행성 형성 모델의 개선에 어떻게 활용될 수 있는가?

주요 결과

• HD 90156 주위에 해왕성 유사 행성(최소 질량 17.98 M⊕, 1.05 MNeptune, 궤도 주기 49.8일)이 탐지되었으며, 반장반경은 0.25 AU, 이심률은 0.31이다.
• HD 85390 주위에 투영 질량 42.0 M⊕, 궤도 주기 788일(반장반경 1.52 AU), 이심률 0.41인 중간 질량 행성이 발견되었다.
• HD 103197 주위에 투영 질량 31.2 M⊕, 궤도 주기 47.8일, 원형 궤도(반장반경 0.25 AU)인 두 번째 중간 질량 행성이 탐지되었다.
• 이 두 중간 질량 행성은 가스 원반 소멸의 마지막 단계 동안 형성되었으며, 이 시기 가스 축적률은 이미 10⁻⁴–10⁻³ M⊕/yr 수준으로 감소하였다.
• 합성 모델에 따르면, 이 행성들은 해왕성 유사와 목성 유사 사이의 조성을 가지며, 더 질량이 큰 행성(HD 85390 b)의 경우 평균 가스 질량 분율이 약 40%, 덜 질량이 큰 행성(HD 103197 b)은 약 30%이다.
• 관측된 중간 질량 행성의 빈도는 가스 축적 효율성과 갭 형성의 역할을 제약하기 위해 사용될 수 있다.