[论文解读] The California Legacy Survey III. On The Shoulders of (Some) Giants: The Relationship between Inner Small Planets and Outer Massive Planets

Lee J. Rosenthal, Heather A. Knutson+12 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 75被引用 69

一句话总结

本研究利用加州遗产巡天计划的高精度径向速度数据，调查了内侧行星（2–30 M⊕，0.023–1 au）与外侧行星（30–6000 M⊕，0.23–10 au）共存的现象。研究发现，拥有内侧行星的系统比平均恒星更可能拥有外侧行星（1.7σ显著性），但位于0.3–3 au内的大质量外侧行星会抑制内侧行星的形成（约2.2σ显著性）。同时，同时拥有两类行星的系统金属量更高，支持其与原行星盘化学有关的假设。

ABSTRACT

We use a high-precision radial velocity survey of FGKM stars to study the conditional occurrence of two classes of planets: close-in small planets (0.023--1 au, 2--30 Earth masses) and distant giant planets (0.23--10 au, 30--6000 Earth masses). We find that $41^{+15}_{-13}\%$ of systems with a close-in, small planet also host an outer giant, compared to $17.6^{+2.4}_{-1.9}\%$ for stars irrespective of small planet presence. This implies that small planet hosts may be enhanced in outer giant occurrence compared to all stars with $1.7\sigma$ significance. Conversely, we estimate that $42^{+17}_{-13}\%$ of cold giant hosts also host an inner small planet, compared to $27.6^{+5.8}_{-4.8}\%$ of stars irrespective of cold giant presence. We also find that more massive and close-in giant planets are not associated with small inner planets. Specifically, our sample indicates that small planets are less likely to host outer giant companions more massive than approximately 120 Earth masses and within 0.3--3 au than to host less massive or more distant giant companions, with $\sim$2.2$\sigma$ confidence. This implies that massive gas giants within 0.3--3 au may suppress inner small planet formation. Additionally, we compare the host-star metallicity distributions for systems with only small planets and those with both small planets and cold giants. In agreement with previous studies, we find that stars in our survey that only host small planets have a metallicity distribution that is consistent with the broader solar-metallicity-median sample, while stars that host both small planets and gas giants are distinctly metal-rich with $\sim$2.3$\sigma$ confidence.

研究动机与目标

• 确定宿主恒星拥有内侧行星时，其拥有外侧行星的条件概率。
• 评估大质量或靠近的外侧行星是否抑制内侧行星的形成。
• 比较仅拥有内侧行星与同时拥有内侧行星和冷巨行星的宿主恒星的金属量分布。
• 评估小行星多星性对行星出现率估计（P(1+)）可能带来的偏差。

提出的方法

• 利用加州遗产巡天计划的高精度径向速度数据（719颗FGKM型恒星，22年基线，约2 m s⁻¹精度）探测系外行星。
• 将内侧行星定义为0.023–1 au内质量为2–30 M⊕的行星，外侧行星定义为0.23–10 au内质量为30–6000 M⊕的行星。
• 采用基于泊松分布的模型估算至少拥有一个内侧行星的系统概率（P(1+)），并通过蒙特卡洛模拟校正多星性偏差。
• 利用贝叶斯推断和边际后验分布计算条件出现率概率。
• 比较仅拥有内侧行星与同时拥有内侧行星和冷巨行星的恒星的金属量分布。
• 使用RVSearch和RadVel流程从径向速度时间序列中检测并验证行星候选体。

实验结果

研究问题

• RQ1 一颗宿主恒星若拥有内侧行星，其同时拥有外侧行星的条件概率是多少？
• RQ2 大质量或靠近的外侧行星是否存在会抑制内侧行星的形成？
• RQ3 同时拥有内侧行星和冷巨行星的恒星，其金属量与仅拥有内侧行星的恒星相比如何？
• RQ4 小行星多星性在多大程度上会偏差P(1+)（即至少拥有一个内侧行星的概率）的估计？

主要发现

• 41+15−13%的内侧行星宿主系统拥有外侧行星，而无内侧行星的恒星中该比例为17.6+2.4−1.9%，表明外侧行星出现率提升1.7σ。
• 42+17−13%的冷巨行星宿主系统也拥有内侧行星，而无冷巨行星的系统中该比例为27.6+5.8−4.8%，表明存在正相关性。
• 质量≥120 M⊕的外侧行星位于0.3–3 au内时，与内侧行星形成的可能性降低，显著性约为2.2σ。
• 同时拥有内侧行星和冷巨行星的恒星显著更富金属，显著性约为2.3σ。
• 蒙特卡洛模拟表明，小行星多星性可能导致P(1+)估计值偏高，但泊松模型中的假设可缓解该偏差。
• 结果支持如下假设：位于0.3–3 au内的大质量气态巨行星可能通过打开盘隙或导致轨道不稳定，抑制内侧行星的形成。