[論文レビュー] Astrometric Microlensing Constraints on a Massive Body in the Outer Solar System with the Global Astrometric Interferometer for Astrophysics (GAIA)

B. Scott Gaudi, J. S. Bloom|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2005

Planetary Science and Exploration被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、GAIA宇宙望遠鏡のデータを用いて、外太陽系に存在する遠く離れた大質量天体の存在を制約するため、恒星位置の歪みを検出するアストロメトリックマイクロレンズ効果（重力レンズ効果による背景星の位置のずれ）を提案する。2000 AUの距離に木星質量の天体が存在する場合、全天空で5σ以上の有意水準で検出可能であり、黄道面付近で感度が高くなる。これは『惑星X』の仮説を検証可能な手法を提供する。

ABSTRACT

A body in Solar orbit beyond the Kuiper belt exhibits an annual parallax that exceeds its apparent proper motion by up to many orders of magnitude. Apparent motion of this body along the parallactic ellipse will deflect the angular position of background stars due to astrometric microlensing ("induced parallax"). By synoptically sampling the astrometric position of background stars over the entire sky, constraints on the existence (and basic properties) of a massive nearby body may be inferred. With a simple simulation, we estimate the signal-to-noise for detecting such a body -- as function of mass, heliocentric distance, and ecliptic latitude -- using the anticipated sensitivity and temporal cadences from the Global Astrometric Interferometer for Astrophysics (GAIA; launch 2011). A Jupiter-mass (M_Jup) object at 2000 AU is detectable by GAIA over the whole sky above 5-sigma, with even stronger constraints if it lies near the ecliptic plane. Hypotheses for the mass (~3M_Jup), distance (~20,000 AU) and location of the proposed perturber ("Planet X") which gives rise to long-period comets may be testable.

研究の動機と目的

• 外太陽系の大質量遠方天体をアストロメトリックマイクロレンズを用いて検出するための手法を開発すること。
• GAIA宇宙アストロメトリックミッションの予想される性能を用いて、このような天体の検出可能性を評価すること。
• 長期間周期のコメットに及ぼされる重力的影響を根拠に、『惑星X』の存在と性質に関する仮説を検証すること。
• 質量、太陽からの距離、黄道傾斜角の関数として、GAIAの感度を定量化すること。

提案手法

• 大質量天体が背景星の位置に及ぼす重力レンズ効果をモデル化し、視差的ずれのパターンを引き起こす。
• 時間経過に伴う大質量天体が背景星の見かけの位置に誘導するアストロメトリック信号をシミュレートする。
• GAIAの予想されるアストロメトリック精度と観測サイクルを用いて、信号対雑音比を推定する。
• GAIAの全天空的で包括的なサンプリング能力を考慮し、異なる黄道傾斜角における検出感度を評価する。
• 測定ノイズに対する誘導された視差信号の有意水準を決定する統計的フレームワークを適用する。
• 入力パラメータ（質量、距離、黄道傾斜角）を変化させ、検出可能限界をマップする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クイパー帯を超えた大質量天体によるアストロメトリックマイクロレンズ効果が、GAIAデータで検出可能な信号を生じるか？
• RQ2 GAIAの予想される性能を用いた場合、このような天体の最小検出可能質量と距離は何か？
• RQ3 誘導される視差の幾何学的配置のため、検出感度は黄道傾斜角にどのように依存するか？
• RQ4 約20,000 AUにあり、質量が約3M_Jupの巨大な摂動体が、観測された長期間周期コメットのクラスタリングを説明できるという仮説は、GAIAデータで検証可能か？
• RQ5 2000 AUに木星質量の天体が存在する場合、全天空で信号対雑音比はどの程度か？

主な発見

• 2000 AUに木星質量の天体が存在する場合、GAIAは全天空で5σを超える信号対雑音比で検出可能である。
• 黄道面付近に位置する天体では、誘導される視差信号の幾何学的配置が有利であるため、検出感度が顕著に向上する。
• 本手法により、特に20,000 AUまでの距離で3M_Jup以上の質量を持つ天体の存在に対する強い制約が得られる。
• シミュレーションにより、GAIAのグローバルなアストロメトリック調査能力が、このような摂動体の系統的探索を可能にすることが示された。
• 検出可能限界は全天空にわたり安定しており、特に視差信号が最大になる黄道面付近で感度が最高となる。
• 長期間周期コメットの摂動源としての『惑星X』の仮説は、本手法を用いてGAIAデータで検証可能である。