[论文解读] Impact of Binary Stars on Planet Statistics -- I. Planet Occurrence Rates, Trends with Stellar Mass, and Wide Companions to Hot Jupiter Hosts

Maxwell Moe, Kaitlin M. Kratter|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 6被引用 26

一句话总结

本文表明，双星系统会抑制原恒星行星的形成，从而导致巡天观测中行星出现率的偏差。通过校正双星引起的抑制效应和掩食稀释效应，作者发现围绕单个G型矮星的小行星行星真实出现率比开普勒全G型星样本推断出的结果高出2.1 ± 0.3倍，解决了径向速度与掩星巡天之间的矛盾。

ABSTRACT

Close binaries suppress the formation of circumstellar (S-type) planets and therefore significantly bias the inferred planet occurrence rates and statistical trends. After compiling various radial velocity and high-resolution imaging surveys, we determine that binaries with a < 1 au fully suppress S-type planets, binaries with a = 10 au host close planets at 15% the occurrence rate of single stars, and wide binaries with a > 200 au have a negligible effect on close planet formation. We show that F = 43% +/- 7% of solar-type primaries do not host close planets due to suppression by close stellar companions. By removing spectroscopic binaries from their samples, radial velocity surveys for giant planets boost their detection rates by a factor of 1/(1-F) = 1.8 +/- 0.2 compared to transiting surveys. This selection bias fully accounts for the discrepancy in hot Jupiter occurrence rates inferred from these two detection methods. Correcting for both planet suppression by close binaries and transit dilution by wide binaries, the occurrence rate of small planets orbiting single G-dwarfs is 2.1 +/- 0.3 times larger than the rate inferred from all G-dwarfs in the Kepler survey. Additionally, about half (but not all) of the observed increase in small, short-period planets toward low-mass hosts can be explained by the corresponding decrease in the binary fraction. Finally, we demonstrate that the apparent enhancement of wide stellar companions to hot Jupiter hosts is due to multiple selection effects. Very close binaries, brown dwarf companions, and massive planets with M_2 > 7 M_J within a < 0.2 au preferentially have metal-poor hosts and wide tertiary companions, but genuine hot Jupiters with M_p = 0.2-4 M_J that formed via core accretion instead favor metal-rich hosts and do not exhibit a statistically significant excess of wide stellar companions.

研究动机与目标

• 量化近距离双星对原恒星（S型）行星形成的影响及其对统计行星出现率的偏差。
• 通过识别近距离双星导致的选择偏差，解决径向速度与掩星巡天在热木星出现率上的差异。
• 评估双星比例随恒星质量变化的趋势，以解释观测到的小行星、短周期行星出现率的趋势。
• 评估热木星宿主星周围宽距恒星伴星的表观过剩是否真实存在，或是否源于选择效应。
• 通过金属丰度和宽伴星统计，区分热木星与大质量近距伴星的形成机制。

提出的方法

• 汇编并统一处理了行星宿主星的径向速度和高分辨率成像巡天数据，以测量不同分离度区间（a < 1 au，1–10 au，10–200 au，>200 au）的双星比例。
• 利用观测到的双星比例和双星系统中盘面截断与湍流的理论模型，计算了行星出现率的抑制因子。
• 对宽距双星巡天应用完备性校正，以考虑探测极限和识别行星宿主星宽伴星时的选择效应。
• 利用金属丰度测量和质量分布分析，区分近距伴星的核吸积与引力不稳定性形成路径。
• 模拟了近距离双星对行星形成的抑制效应与宽距双星对掩星信号的稀释效应共同作用对开普勒巡天出现率的影响。
• 将单星的校正后出现率与开普勒巡天中所有G型星样本推断出的出现率进行比较，以量化偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 近距离双星（a < 1 au）在多大程度上抑制S型行星的形成，并导致行星出现率估计的偏差？
• RQ2 为何径向速度与掩星巡天报告的热木星出现率存在冲突？这是否可由双星引起的选样偏差解释？
• RQ3 小行星行星出现率随宿主恒星质量变化的趋势，多大程度上源于双星比例的差异，而非内在的行星形成物理机制？
• RQ4 观测到的热木星宿主星周围宽距伴星过剩是真实现象，还是选择效应与假阳性污染的结果？
• RQ5 通过核吸积机制形成的热木星是否表现出宽伴星的统计显著过剩？这与大质量近距伴星或棕矮星相比如何？

主要发现

• 分离度a < 1 au的双星完全抑制S型行星的形成，而分离度a = 10 au的双星系统中，行星形成率仅为单星系统的15% ± 17%。
• 分离度a > 200 au的宽距双星对近距离行星形成无显著影响，未观测到明显抑制效应。
• 43% ± 7%的类太阳恒星因近距离伴星的抑制作用而无法形成近距行星，这解释了径向速度巡天中的偏差。
• 校正双星抑制效应与掩星稀释效应后，围绕单个G型矮星的小行星行星真实出现率比开普勒推断值高出2.1 ± 0.3倍。
• 径向速度与掩星巡天在热木星出现率上的差异，完全可由径向速度巡天排除光谱双星这一事实解释，其检测率因此被提升1.8 ± 0.2倍。
• 观测到的低质量恒星周围小行星、短周期行星出现率增加的一半，可归因于恒星质量减小导致的双星比例下降。