[논문 리뷰] The HARPS search for southern extra-solar planets: XXVIII. Two giant planets around M0 dwarfs

T. Forveille, X. Bonfıls외 12명|arXiv (Cornell University)|2010. 12. 06.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 41인용 수 28

한 줄 요약

이 연구는 ESO 3.6-m 망원경에 장착된 HARPS를 사용하여 M0 퇼드워프 주변에서 두 개의 거대 행성을 반지름 속도로 검출했다—Gl 676A (M sin i = 4.87 M_Jup) 및 HIP 12961 (M sin i = 0.35 M_Jup). 결과는 금속 농도가 높은 M 흑점에서 거대 행성이 더 자주 발견되는 경향을 뒷받침하며, Gl 676A는 [Fe/H] = 0.18로 태양계 평균보다 훨씬 높은 금속 농도를 보이며, 질량이 큰 디스크에서 핵 축적 모델이 행성 형성에 적합함을 지지한다.

ABSTRACT

Fewer giants planets are found around M dwarfs than around more massive stars, and this dependence of planetary characteristics on the mass of the central star is an important observational diagnostic of planetary formation theories. In part to improve on those statistics, we are monitoring the radial velocities of nearby M dwarfs with the HARPS spectrograph on the ESO 3.6 m telescope. We present here the detection of giant planets around two nearby M0 dwarfs: planets, with minimum masses of respectively 5 Jupiter masses and 1 Saturn mass, orbit around Gl 676A and HIP 12961. The latter is, by over a factor of two, the most massive planet found by radial velocity monitoring of an M dwarf, but its being found around an early M-dwarf is in approximate line with the upper envelope of the planetary vs stellar mass diagram. HIP 12961 ([Fe/H]=-0.07) is slightly more metal-rich than the average solar neighborhood ([Fe/H]=-0.17), and Gl 676A ([Fe/H=0.18) significantly so. The two stars together therefore reinforce the growing trend for giant planets being more frequent around more metal-rich M dwarfs, and the 5~Jupiter mass Gl 676Ab being found around a metal-rich star is consistent with the expectation that the most massive planets preferentially form in disks with large condensate masses.

연구 동기 및 목표

• 은하계에서 빈도가 높은 M0 흑점 주위에서 거대 행성의 존재를 조사하기 위해, 반지름 속도 조사에서 아직 부족한 대상임에도 불구하고.
• 저질량 항성에서 특히 질량이 큰 행성의 형성 효율성이 항성의 금속 농도와 관련이 있는지 테스트하기 위해.
• M 흑점 주위에서 알려진 거대 행성의 샘플을 확장하여 행성 형성 이론의 통계적 제약 조건을 향상시키기 위해.
• 핵 축적 또는 중력 불안정성 경로를 통해 거대 행성 형성에 기여하는 디스크 질량과 금속 농도의 역할을 평가하기 위해.
• 저질량 항성 주위에 질량이 큰 행성이 존재하는 시스템의 궤도 특성과 천체 역학적 안정성을 결정하기 위해.

제안 방법

• La Silla 관측소에 있는 ESO 3.6-m 망원경에 장착된 HARPS 분광계를 사용하여 반지름 속도 측정을 수행하였다.
• 행성의 궤도 요소와 최소 질량(M sin i)을 유도하기 위해 반지름 속도 데이터에 케플러 궤도 모델을 피팅하였다.
• M_Ks 대비 V-K_S 평면의 Schlaufman & Laughlin(2010) 校정을 사용하여 항성의 금속 농도([Fe/H])를 유도하였다.
• 케플러 궤도 피팅의 잔차를 분석하여 항성 활동성과 잠재적인 추가 행성 신호를 평가하였다.
• 모델의 품질 평가 및 추가 행성 탐지 가능성을 확인하기 위해 χ² 감소 통계량과 O-C(관측값-계산값) 잔차를 포함하였다.
• 기존의 행성 통계와 샘플을 비교하여 항성 질량과 금속 농도에 따른 행성 빈도의 경향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 금속 농도가 높은 M 흑점 주위에서 거대 행성이 더 자주 형성되는가? 이러한 시스템은 핵 축적 모델을 지지하는가?
• RQ2 M0 흑점 주위에서 반지름 속도로 검출된 행성의 상한 질량는 얼마이며, 기존의 시스템과 비교해보면 어떠한가?
• RQ3 상대적으로 질량이 큰 M0 흑점(0.71 M_☉) 주위에 질량이 큰 행성(예: 4.87 M_Jup)이 존재하는 것이 현재의 행성 형성 이론에 도전하는가?
• RQ4 이 행성들의 궤도 특성은 항성 질량 대비 행성 질량도의 상한 경계선과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 관측된 반지름 속도 잔차는 추가적인 저질량 행성 또는 항성 활동성을 시사하는가?

주요 결과

• M0 흑점 Gl 676A 주위에서 최소 질량 4.87 M_Jup인 거대 행성이 반지름 속도로 검출되었으며, 이는 현재까지 M 흑점 주위에서 반지름 속도로 발견된 가장 질량이 큰 행성이다.
• M0 흑점 HIP 12961 주위에서 최소 질량 0.35 M_Jup인 두 번째 행성이 검출되었으며, 태양계 근처 평균보다 略로 높은 금속 농도를 가진 초기 M-흑점이다.
• Gl 676A는 [Fe/H] = +0.18의 금속 농도를 보이며, 태양계 근처 평균 [Fe/H] = -0.17보다 훨씬 높아, 질량이 큰 행성이 금속 농도가 높은 환경에서 선호적으로 형성된다는 경향을 지지한다.
• HIP 12961는 [Fe/H] = -0.07의 금속 농도를 보이며, 역시 태양계 근처 평균을 초월하여 금속 농도-행성 질량 상관관계를 더욱 강화한다.
• Gl 676A의 궤도 해석 결과, 궤도 주기는 1056.8일, 이심률 e = 0.326, 진폭 K = 129.3 m s⁻¹로, 중간 정도의 이심률 궤도임을 나타낸다.
• 시스템 내 추가 행성에 대한 강력한 증거는 발견되지 않았지만, 잔차 산란은 항성 활동성 또는 향후 다중 행성 탐지 가능성을 암시할 수 있다.