[論文レビュー] The HARPS search for southern extra-solar planets XXXIV. Occurrence, mass distribution and orbital properties of super-Earths and Neptune-mass planets

M. Mayor, M. Marmier+12 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用数 342

ひとこと要約

本研究では、太陽型の星の周りの超地球型および海王星質量惑星を特徴付けるために、8年間のHARPS径速度データを分析した。その結果、100日以下の公軌道周期を持つ低質量惑星を1つ以上有する太陽型の星が50％以上であることが判明した。質量分布は15から30 M⊕の間で急激に増加しており、金属性の高い星に偏りがないことが判明した—これはガス惑星とは対照的であり、ガス惑星は高い金属性と強く相関しており、公軌道離心率も最大0.9に達する。

ABSTRACT

We report on the results of an 8-year survey carried out at the La Silla Observatory with the HARPS spectrograph to detect and characterize planets in the super-Earth and Neptune mass regime. The size of our star sample and the precision achieved with HARPS have allowed the detection of a sufficiently large number of low-mass planets to study the statistical properties of their orbital elements, the correlation of the host-star metallicity with the planet masses, as well as the occurrence rate of planetary systems around solar-type stars. A robust estimate of the frequency of systems shows that more than 50% of solar-type stars harbor at least one planet of any mass and with period up to 100 days. Different properties are observed for the population of planets less massive than about 30M-Earth compared to the population of gaseous giant planets. The mass distribution of Super-Earths and Neptune-mass planets (SEN) is strongly increasing between 30 and 15M-Earth. The SEN occurence rate does not exhibit a preference for metal rich stars. Most of the SEN planets belong to multi-planetary systems. The orbital eccentricities of the SEN planets seems limited to 0.45. At the opposite, the occurence rate of gaseous giant planets is growing with the logarithm of the period, and is strongly increasing with the host-star metallicity. About 14% of solar-type stars have a planetary companion more massive than 50M-Earth? on an orbit with a period shorter than 10 years. Orbital eccentricities of giant planets are observed up to 0.9 and beyond. The precision of HARPS-type spectrographs opens the possibility to detect planets in the habitable zone of solar-type stars. Identification of a significant number of super-Earths orbiting solar-type of the Sun vicinity is achieved by Doppler spectroscopy. 37 newly discovered planets are announced in the Appendix of this paper, among which 15 Super-Earths.

研究の動機と目的

• 長期間にわたる径速度モニタリングを用いて、太陽型の星の周りの低質量惑星（超地球型および海王星質量）の出現率を特定すること。
• 超地球／海王星（SEN）惑星集団における惑星質量、公軌道周期、離心率の統計的分布を調査すること。
• 金属性依存性および公軌道的性質の観点から、SEN惑星とガス惑星（GGP）の出現率を比較すること。
• 宿主星の金属性が異なる惑星集団の形成に果たす役割を評価すること。
• HARPSのような高精度機器を用いたドップラー分光法による居住領域惑星の検出可能性を評価すること。

提案手法

• ESO 3.6 m望遠鏡に搭載されたHARPS分光計を用いて、8年間の径速度調査を実施した。
• 低質量惑星の信号を検出するために、サブメートル毎秒レベルの高精度な径速度測定値を分析した。
• 検出バイアスおよび調査の完全性を補正するために、統計的手法を用いて惑星出現率を推定した。
• 軌道解法フィッティングを用いて、径速度曲線から惑星質量（m₂sin i）、周期、離心率を決定した。
• 惑星質量および出現頻度と宿主星の金属性（Fe/H）の相関関係を分析し、形成依存性を評価した。
• 単一惑星系と複数惑星系を区別し、複数惑星系では最も質量の大きな惑星に焦点を当てて比較分析を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 公軌道周期が100日までの太陽型の星の周りに、超地球型および海王星質量惑星がどれくらいの頻度で存在するか？
• RQ2 15–30 M⊕の範囲で低質量惑星の質量分布はどのように変化するか？また、これは検出バイアスに何を示唆するか？
• RQ3 超地球型／海王星質量惑星の出現率は、宿主星の金属性と相関するか？ガス惑星と比較してどうか？
• RQ4 超地球型／海王星型惑星とガス惑星の典型的な公軌道離心率分布はそれぞれどうか？また、それらの違いは何か？
• RQ5 複数惑星系が低質量惑星集団をどれほど支配しているか？これは惑星形成メカニズムに何を示唆するか？

主な発見

• 太陽型の星の50％以上が、質量30 M⊕未満で公軌道周期が100日未満の惑星を1つ以上有する。
• 超地球型および海王星質量惑星の質量分布は、15から30 M⊕の間で急激に増加しており、この範囲に多く存在することが示唆される。
• 超地球型および海王星質量惑星の出現率は、金属性の高い星に顕著な偏りを示さず、中央値金属性はFe/H ≈ -0.1 dexである。
• 超地球型および海王星質量惑星の公軌道離心率は最大0.45までに制限されるが、ガス惑星は最大0.9まで達する。
• ガス惑星（m₂sin i > 50 M⊕、P < 10年）の出現率は約14％であり、宿主星の金属性に強く依存する。
• 低質量惑星の集団は、調査バイアスを補正した後、公軌道周期40〜80日で頻度のピークを示す。