[論文レビュー] The CARMENES search for exoplanets around M dwarfs -- Planet occurrence rates from a subsample of 71 stars

S. Sabotta, Martin Schlecker+26 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 103被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、CARMENES調査の71個のM型矮星からの径速度データを分析し、検出バイアスを補正するためのインジェクション・リトリーブ実験を用いて、系外惑星の出現率を測定した。その結果、1–10 M⊕の低質量惑星の出現率は非常に高く、100日以内の公軌道をとる惑星について1.32個/恒星であった。特に、後期M型矮星では短周期軌道に多くの惑星が存在し、G型星と比較して巨大惑星の数は著しく少なかった。

ABSTRACT

The CARMENES exoplanet survey of M dwarfs has obtained more than 18 000 spectra of 329 nearby M dwarfs over the past five years as part of its guaranteed time observations (GTO) program. We determine planet occurrence rates with the 71 stars from the GTO program for which we have more than 50 observations. We use injection-and-retrieval experiments on the radial-velocity (RV) time series to measure detection probabilities. We include 27 planets in 21 planetary systems in our analysis. We find 0.06+0.04-0.03 giant planets (100 M_Earth < M_pl sin i < 1000 M_Earth) per star in periods of up to 1000 d, but due to a selection bias this number could be up to a factor of five lower in the whole 329-star sample. The upper limit for hot Jupiters (orbital period of less than 10 d) is 0.03 planets per star, while the occurrence rate of planets with intermediate masses (10 M_Earth < M_pl sin i < 100 M_Earth) is 0.18+0.07-0.05 planets per star. Less massive planets with 1 M_Earth < M_pl sin i < 10 M_Earth are very abundant, with an estimated rate of 1.32+0.33-0.31 planets per star for periods of up to 100 d. When considering only late M dwarfs with masses M_star < 0.34 M_sol, planets more massive than 10 M_Earth become rare. Instead, low-mass planets with periods shorter than 10 d are significantly overabundant. For orbital periods shorter than 100 d, our results confirm the known stellar mass dependences from the Kepler survey: M dwarfs host fewer giant planets and at least two times more planets with M_pl sin i < 10 M_Earth than G-type stars. In contrast to previous results, planets around our sample of very low-mass stars have a higher occurrence rate in short-period orbits of less than 10 d. Our results demonstrate the need to take into account host star masses in planet formation models.

研究の動機と目的

• 代表的な71個の星の高精度測定データを用いたM型矮星周囲の系外惑星出現率を特定すること。
• インジェクション・リトリーブ実験を用いて、径速度調査における検出バイアスを補正し、真の惑星検出確率を推定すること。
• 惑星質量と公軌道周期に応じた出現率の変化、特に主星質量との関係を調査すること。
• 太陽型星と比較して、低質量M型矮星系における惑星形成効率に顕著な差があるかどうかを検証すること。
• 星の質量が、特に低質量惑星の質量分布と公軌道周期分布に与える影響を評価すること

提案手法

• 合成惑星の質量と公軌道周期に応じた検出確率を推定するために、径速度時系列データに対してインジェクション・リトリーブ実験を実施した。
• 信頼性の高い検出限界を得るため、50回以上の径速度観測が得られた71個のM型矮星のサンプルを用いた。
• 検出効率と出現率推定のキャリブレーションのため、21個の惑星系に27個の惑星を分析に組み込んだ。
• 選択効果と測定誤差を考慮した信頼区間を伴う出現率を導出するために統計的手法を適用した。
• 特にM⋆ < 0.34 M☉の後期M型矮星を焦点として、星の質量による傾向を分離して分析した。
• 結果をKepler調査の結果と比較し、惑星集団分布における一貫性と乖離を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 検出バイアスを補正した上で、M型矮星周囲の低質量惑星（1–10 M⊕）で公軌道周期が100日以内の出現率はどの程度か？
• RQ2 M型矮星系における巨大惑星（100–1000 M⊕）の出現率は公軌道周期に応じてどのように変化するか？また、G型星と比較して低いか？
• RQ3 ホット・ジュピター（P < 10 d）はM型矮星周囲で太陽型星周囲よりも顕著に少ないのか？その出現率の上限は何か？
• RQ4 Keplerデータが示唆するように、非常に低質量M型矮星（M⋆ < 0.34 M☉）では短周期軌道（P < 10 d）の惑星出現率が上昇するのか？
• RQ5 観測された惑星出現傾向は、特にコア蓄積モデルを含む現在の惑星形成モデルをどのように挑戦するか、あるいは支持するか？

主な発見

• 公軌道周期が100日以内の低質量惑星（1–10 M⊕）の出現率は1.32⁺⁰.³³₋₀.³¹個/恒星であり、M型矮星周囲に多数存在することを示している。
• 中程度質量惑星（10–100 M⊕）の出現率は0.18⁺⁰.⁰⁷₋₀.⁰⁵個/恒星であり、長い公軌道周期での頻度が高くなる傾向がある。
• 公軌道周期が1000日以内の巨大惑星（100–1000 M⊕）の出現率は0.06⁺⁰.⁰⁴₋₀.⁰³個/恒星であり、G型星周囲と比較して顕著に低い。
• M⋆ < 0.34 M☉の後期M型矮星では、短周期軌道（P < 10 d）の低質量惑星が顕著に過剰に存在しており、これらの系では惑星形成効率が向上している可能性がある。
• 現在のサンプルにおける検出バイアスは、CARMENES全329個星のサンプルにおいて、巨大惑星出現率を最大で5倍まで高めに見積もる可能性がある。
• 結果は、M型矮星が100日以内に10 M⊕未満の低質量惑星を太陽型星よりも少なくとも2倍以上多く持つことを確認しており、短周期軌道における惑星分布に関する従来の仮定を覆している。