[논문 리뷰] The SOPHIE search for northern extrasolar planets -- XVII. A wealth of new objects: Six cool Jupiters, three brown dwarfs, and 16 low-mass binary stars

S. Dalal, F. Kiefer외 31명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 20.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 23인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 오스티아-프로방스 관측소에 설치된 SOPHIE 분광계를 이용한 라디얼 속도 모니터링을 통해 FGK 항성에 대해 27개의 새로운 복합행성 및 저질량 항성 연성체를 제시한다. HIPPARCOS와 Gaia의 천체측위 측정 데이터를 라디얼 속도 데이터와 융합함으로써, 저온의 목성형 행성 6개, 백색왜성 후보 3개, 저질량 항성 연성체 16개의 진짜 질량을 제약하고 분류하였다. 이는 질량이 크고 궤도가 긴 행성의 샘플을 크게 확장하며, 고이심도, 고질량 물체를 포함한 '백색왜성 빈곤대'를 탐색하는 데 기여한다.

ABSTRACT

Distinguishing classes within substellar objects and understanding their formation and evolution need larger samples of substellar companions such as exoplanets, brown dwarfs, and low-mass stars. In this paper, we look for substellar companions using radial velocity surveys of FGK stars with the SOPHIE spectrograph at the Observatoire de Haute-Provence. We assign here the radial velocity variations of 27 stars to their orbital motion induced by low-mass companions. We also constrained their plane-of-the-sky motion using HIPPARCOS and Gaia Data Release 1 measurements, which constrain the true masses of some of these companions. We report the detection and characterization of six cool Jupiters, three brown dwarf candidates, and 16 low-mass stellar companions. We additionally update the orbital parameters of the low-mass star HD 8291 B, and we conclude that the radial velocity variations of HD 204277 are likely due to stellar activity despite resembling the signal of a giant planet. One of the new giant planets, BD+631405 b, adds to the population of highly eccentric cool Jupiters, and it is presently the most massive member. Two of the cool Jupiter systems also exhibit signatures of an additional outer companion. The orbital periods of the new companions span 30 days to 11.5 years, their masses 0.72 Jupiter mass to 0.61 Solar mass, and their eccentricities 0.04 to 0.88. These discoveries probe the diversity of substellar objects and low-mass stars, which will help constrain the models of their formation and evolution.

연구 동기 및 목표

• 다양한 천체역학적 및 형성적 의미를 지닌, 아직 잘 규명되지 않은 질량이 크고 궤도가 긴 복합행성 연성체, 특히 저온의 목성형 행성과 백색왜성 후보의 샘플을 확장하기 위함이다.
• HIPPARCOS와 Gaia의 천체측위 데이터를 라디얼 속도 측정과 융합하여 진짜 질량을 도출하고, 행성, 백색왜성, 저질량 항성으로의 분류를 모호함 없이 확정하기 위해 라디얼 속도 측정에서의 불확실성 문제를 해결하기 위함이다.
• 질량이 큰 행성과 백색왜성의 궤도 구조와 금속성 경향을 조사하여, 특히 핵적 축적 모델 대비 디스크 불안정성 이분법을 시험하기 위함이다.
• 짧은 궤도 주기에서 관측되는 백색왜성의 부족 현상인 '백색왜성 빈곤대'의 구조를 탐색하기 위해, 이심도가 높고 중간 질량을 가진 물체(30–60 MJ 범위)를 탐지하기 위함이다.

제안 방법

• 라디얼 속도 측정은 오스트리아-프로방스 관측소의 1.93m 망원경에 설치된 SOPHIE 분광계를 사용하여 수행되었으며, 태양으로부터 60 pc 이내의 FGK형 항성에 집중하였다.
• 행성 신호와 항성 자기장 주기 및 spots에 의한 신호를 구분하기 위해 스펙트럼 분석 및 항성 활동 특성 분석을 수행하였다.
• 라디얼 속도 시간 시리즈는 궤도적 주기 신호를 탐지하기 위해 케플러 궤도 피팅을 사용하여 모델링되었다.
• HIPPARCOS와 Gaia 데이터 릴리스 1의 천체측위 제약 조건을 활용하여 sin i 불확실성 문제를 해결하고, 최소 질량(m sin i)에서 진짜 질량을 유도하였다.
• 27개 시스템의 궤도 파rameter(주기, 이심도, 질량)를 유도하였으며, 추가적인 장기 주기 신호를 보이는 시스템에 특별한 주의를 기울였다.
• Kolmogorov-Smirnov 검정과 같은 통계 분석을 적용하여, 4 MJ 이상과 이하의 거대행성 호스팅 항성 간의 금속성 분포를 비교함으로써, 이중형 형성 경로를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라디얼 속도로 탐지된 복합행성 연성체의 진짜 질량 분포는 어떻게 되며, 천체측위 측정이 그들의 분류에서 sin i 불확실성을 어떻게 해결하는가?
• RQ2 최근에 탐지된 저온의 목성형 행성과 백색왜성의 궤도 이심도와 주기 분포는 기존의 인기 집단과 어떻게 비교되며, 이는 형성 메커니즘에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ3 질량이 큰 행성(4 MJ 이상 및 이하)을 가진 항성의 금속성 분포는 이중형을 보이며, 이는 행성 형성 모델에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 25~60 MJ의 질량을 가지며 궤도 주기가 576~850일인 최근 탐지된 백색왜성 후보들은 짧은 궤도 주기와 중간 질량에서의 '백색왜성 빈곤대'를 메우는 데 기여하는가?
• RQ5 BD+550362와 HD 124330와 같이 복잡한 라디얼 속도 신호를 보이는 시스템들에 추가적인 장기 주기 연성체가 존재하는가, 그리고 이들은 궤도 구조에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 0.72~2.16 MJ의 질량을 가지며, 궤도 주기가 30일에서 11.5년, 이심도는 0.04에서 0.88인 6개의 저온 목성형 행성이 탐지되었으며, 그 중 BD+631405 b는 m sin i = 2.16 MJ를 가지며 고이심도를 띠는 가장 질량이 큰 알려진 거대행성이다.
• 최소 질량가 25~60 MJ이고 궤도 주기가 576~850일인 3개의 백색왜성 후보가 확인되었으며, 이 중 2개(49 및 60 MJ)는 각각 0.5와 0.8의 고이심도를 가지며, 고질량 백색왜성은 더 높은 이심도를 보이는 경향과 일치한다.
• 16개의 저질량 항성 연성체(질량 > 0.072 M⊙)가 확인되었으며, 질량 범위는 0.11~0.61 M⊙, 주기는 30일에서 11.5년, 이심도는 0.04~0.65이며, 모두 라디얼 속도와 천체측위 데이터의 융합을 통해 제약되었다.
• 거대행성 호스팅 항성의 금속성 분포는 유의미한 이중성 분포를 보였다: m sin i ≤4 MJ인 행성 호스팅 항성은 더 높은 금속성을 가지며, 더 질량이 큰 행성(>4 MJ)을 가진 항성보다 유의미하게 높았다(p-value = 9.53×10⁻⁸), 이는 형성 메커니즘의 이분법적 특성을 지지한다.
• HD 204277의 라디얼 속도 변동은 초기에 거대행성 신호와 유사했지만, 항성 활동에 의해 발생하는 것으로 밝혀져 활동 모니터링의 중요성을 강조한다.
• BD+550362와 HD 124330 두 시스템은 추가적인 장기 주기 라디얼 속도 이완을 보였으며, 이는 외부 연성체의 존재를 시사한다. 이들의 궤도 특성을 규명하기 위해 향후 추가 관측이 필요하다.