[論文レビュー] Precise radial velocities of giant stars. IV. A correlation between surface gravity and radial velocity variation and a statistical investigation of companion properties

S. Hekker, I. A. G. Snellen+4 more|ArXiv.org|Jan 4, 2008

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 42被引用数 44

ひとこと要約

本研究では、リック天文台の高精度測定を用いて179個のK型巨星における径速度（RV）変動を調査し、表面重力（log g）と非周期的RV散乱の強い相関が見つかった。一方、周期的変動は亜星員補伴星に起因すると考えられる。結果から、K型巨星では主系列のF、G、K型矮星よりも質量の大きな惑星が顕著に多く存在することが示唆され、矮星周囲の補伴星と比較して質量が大きく、公軌道周期も長いことが推定される。

ABSTRACT

Since 1999, we have been conducting a radial velocity survey of 179 K giants using the CAT at UCO/Lick observatory. At present ~20-100 measurements have been collected per star with a precision of 5 to 8 m/s. Of the stars monitored, 145 (80%) show radial velocity (RV) variations at a level >20 m/s, of which 43 exhibit significant periodicities. Our aim is to investigate possible mechanism(s) that cause these observed RV variations. We intend to test whether these variations are intrinsic in nature, or possibly induced by companions, or both. In addition, we aim to characterise the parameters of these companions. A relation between log g and the amplitude of the RV variations is investigated for all stars in the sample. Furthermore, the hypothesis that all periodic RV variations are caused by companions is investigated by comparing their inferred orbital statistics with the statistics of companions around main sequence stars. A strong relation is found between the amplitude of the RV variations and log g in K giant stars, as suggested earlier by Hatzes & Cochran (1998). However, most of the stars exhibiting periodic variations are located above this relation. These RV variations can be split in a periodic component which is not correlated with log g and a random residual part which does correlate with log g. Compared to main-sequence stars, K giants frequently exhibit periodic RV variations. Interpreting these RV variations as being caused by companions, the orbital param eters are different from the companions orbiting dwarfs. Intrinsic mechanisms play an important role in producing RV variations in K giants stars, as suggested by their dependence on log g. However, it appears that periodic RV variations are additional to these intrinsic variations, consistent with them being caused by companions.

研究の動機と目的

• K型巨星における径速度変動が、星の内部プロセスに起因するのか、あるいは亜星員補伴星に起因するのかを特定すること。
• 表面重力（log g）と径速度変動の振幅との相関関係を調査すること。
• K型巨星における周期的RV変動から推定される補伴星の軌道パラメータを、主系列のF、G、K型矮星周囲の補伴星と比較すること。
• 周期的RV変動が惑星補伴星によるものである確率的妥当性を、脈動や spots などの他のメカニズムと比較して評価すること。
• 補伴星質量および公軌道分布に基づいて、惑星形成理論（特にコア吸収モデル）に与える示唆を評価すること。

提案手法

• リック天文台のコーシー補助望遠鏡に搭載されたハミルトンEchelle分光計を用いて、179個のK型巨星の径速度を測定し、5–8 m s⁻¹の精度を達成した。
• 観測された径速度振幅と表面重力（log g）の相関関係を分析し、星の内部変動と軌道のレフレクション運動を区別した。
• ピリオドグラム解析を用いて周期的RV変動を同定し、真の周期的信号を検出するための有意水準を設定した。
• ケプラー運動を仮定して、周期的RV信号から補伴星の軌道パラメータ（半長径、離心率、最小質量）を推定した。
• 既存の調査から得られた主系列のF、G、K型矮星周囲の補伴星の統計と比較し、推定された補伴星統計（質量、周期、離心率）を分析した。
• ヒッパルコスの光度計測データを用いて、spots や脈動によるRV変動を除外するため、RV周期と相関する光度変動の有無を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 K型巨星における表面重力（log g）と径速度変動の振幅との間に有意な相関が存在するか？
• RQ2 K型巨星における周期的径速度変動は、主に亜星員補伴星に起因するのか、それとも星の内部プロセスに起因するのか？
• RQ3 K型巨星における周期的RV変動から推定される補伴星の軌道パラメータ（質量、周期、離心率）は、主系列のF、G、K型矮星周囲の補伴星と比較してどのように異なるか？
• RQ4 K型巨星における周期的RV変動の頻度が主系列星よりも高いことから、進化した星の周囲に質量の大きな惑星がより多く存在するという仮説は妥当か？
• RQ5 光度計測データを用いて、観測されたRV変動が星の脈動や磁気的spotsによるものと区別できるか？

主な発見

• 径速度振幅と表面重力（log g）との間に強い相関が確認され、K型巨星におけるRV散乱の大部分は、対流や脈動に関連する星の内部プロセスに起因していると考えられる。
• 周期的RV変動を示す星は、主にlog g–振幅相関関係の外側に位置しており、周期的信号がlog g依存の内部変動とは明確に異なることを示している。
• 179個のK型巨星のうち約80％が20 m s⁻¹以上のRV変動を示し、そのうち43個（24％）が顕著な周期性を示しており、これは主系列星と比較して周期的RV変動の頻度が顕著に高いことを示している。
• 主系列星と比較して、K型巨星はより長い公軌道周期とより高い最小質量を持つ補伴星の割合が顕著に高く、進化した星の周囲に質量の大きな惑星系が存在している可能性を示唆している。
• K型巨星周囲の推定補伴星の平均半長径は数AUであり、離心率の分布（主に0.3未満）は矮星周囲の補伴星と有意に差がないが、サンプルサイズの制限により強い結論は得られない。
• ヒッパルコスデータでは、RV周期と相関する顕著な光度変動は検出されず、spots によるRV変動が周期的信号の主因である可能性は低いとされた。