[論文レビュー] Search for giant planets in M67 III: excess of hot Jupiters in dense open clusters

Anna Brucalassi, L. Pasquini+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 54被引用数 33

ひとこと要約

本研究は、太陽系の金属量と一般的な星の質量を有するにもかかわらず、密度の高い開放集団M67において、熱い木星（HJs）の過剰が報告されている。長期間にわたる径速度モニタリングを複数の望遠鏡で実施した結果、M67におけるHJ頻度は、星の接近や惑星同士の散乱といった、密度の高い環境での動的相互作用によって最もよく説明され、N体シミュレーションとも整合的である。

ABSTRACT

Since 2008 we used high-precision radial velocity (RV) measurements obtained with different telescopes to detect signatures of massive planets around main-sequence and evolved stars of the open cluster (OC) M67. We aimed to perform a long-term study on giant planet formation in open clusters and determine how this formation depends on stellar mass and chemical composition. A new hot Jupiter (HJ) around the main-sequence star YBP401 is reported in this work. An update of the RV measurements for the two HJ host-stars YBP1194 and YBP1514 is also discussed. Our sample of 66 main-sequence and turnoff stars includes 3 HJs, which indicates a high rate of HJs in this cluster (~5.6% for single stars and ~4.5% for the full sample ). This rate is much higher than what has been discovered in the field, either with RV surveys or by transits. High metallicity is not a cause for the excess of HJs in M67, nor can the excess be attributed to high stellar masses. When combining this rate with the non-zero eccentricity of the orbits, our results are qualitatively consistent with a HJ formation scenario dominated by strong encounters with other stars or binary companions and subsequent planet-planet scattering, as predicted by N-body simulations.

研究の動機と目的

• 開放集団における惑星系の形成と進化が、フィールドと異なるかどうかを調査すること。特に、巨大惑星の出現率に関して。
• 集団内での星の密度、連星頻度、動的相互作用といった環境要因が、熱い木星の形成に影響を与えるかどうかを特定すること。
• M67における高い金属量や高い星質量が、熱い木星の過剰を説明できるかどうかを検証すること。これは、フィールドではそのような要因とHJ頻度に相関がないため。
• M67で観測されたHJ頻度が、動的散乱や星の接近による惑星移行理論モデルと整合的かどうかを評価すること。
• 集団環境が、特に短周期ガス惑星の惑星系構造に果たす役割について、観測的制約を提供すること。

提案手法

• ESO 3.6m、OHP 1.93m、Hobby-Eberly望遠鏡、TNG、Eulerスイス望遠鏡を用いて、M67の66個の主系列星および回転曲線上星に対する長期間の径速度（RV）モニタリングを実施。
• 高精度なRV測定を用いて、惑星同伴によって引き起こされるドップラーシフトを検出し、YBP401、YBP1194、YBP1514の周囲で3つの熱い木星の軌道解を同定。
• 既知のHJホスト星YBP1194およびYBP1514のRV解を更新し、惑星性および軌道パラメータを確認。
• 単一星におけるHJ出現率（5.6+5.4/-2.6%）および全サンプル（4.5+4.5/-2.5%）を計算し、フィールドの値（約1.2%）と比較。
• 星のパラメータ（質量、金属量、表面重力）および軌道離心率を評価し、金属量や質量がHJ過剰の原因でないことを除外。
• 集団動力学のN体シミュレーションと比較し、特に星の接近や惑星同士の散乱が、密度の高い環境におけるHJ形成のメカニズムとして注目されることを検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M67における熱い木星の出現率は、フィールドよりも顕著に高いのか？ もしそうなら、その要因としてどのような環境的要因が考えられるか？
• RQ2 M67の高い金属量やホスト星の質量が、観測されたHJ過剰を説明できるのか？
• RQ3 M67の熱い木星の軌道的特徴（例：非ゼロの離心率）は、動的散乱や星の接近による形成と整合的か？
• RQ4 M67における観測されたHJ頻度は、密度の高い集団環境のN体シミュレーションの予測とどのように一致するか？
• RQ5 M67におけるHJを有する星の高い保持率は、集団の動的歴史と高い連星頻度によって説明可能か？

主な発見

• M67における熱い木星の出現率は、単一星において5.6%（+5.4/-2.6%）であり、太陽系に似た星のフィールドで観測された約1.2%の頻度を著しく上回っている。
• M67におけるHJ過剰は、高い星の金属量によるものではなく、M67は太陽に近い金属量を有するため、またHJホスト星の質量も1 M☉に近いため、質量要因とも無関係である。
• M67で確認された3つの熱い木星（YBP401、YBP1194、YBP1514の周囲）は、非ゼロの軌道離心率を示しており、動的散乱や星の接近による形成を支持する。
• M67の高い連星頻度と密度の高い環境は、星の接近や惑星同士の散乱がHJ形成を促進するN体シミュレーションと整合的である。
• 10%の連星頻度を仮定したシミュレーションの予測を上回るM67の観測されたHJ頻度は、実際の高い連星頻度（および歴史的な高い値）がHJ生成に重要な役割を果たしていることを示唆している。
• これらの結果は、星の密度と連星頻度が高い集団環境が、惑星系構造を顕著に変化させ、イン・スチュア形成や円盤移行のみに依存するのではなく、HJ形成を促進する可能性を示している。