[論文レビュー] The SOPHIE search for northern extrasolar planets -- XVII. A wealth of new objects: Six cool Jupiters, three brown dwarfs, and 16 low-mass binary stars

S. Dalal, F. Kiefer+31 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 23被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、オート・プロヴァンス天文台に設置されたSOPHIE分光計を用いた径速度（RV）モニタリングにより、FGK型の恒星の周囲に27個の新たな準惑星および低質量恒星の同伴天体を特定した。HIPPARCOSおよびGaiaの位置測定データと組み合わせることで、真の質量を制約し、6つの冷却木星、3つの褐色矮星候補、16個の低質量恒星同伴天体を分類した。これは、質量が大きく、公軌道周期が長い惑星のサンプルを著しく拡大するとともに、高い離心率と高い質量を持つ対象を用いて『褐色矮星の砂漠』を調査するものである。

ABSTRACT

Distinguishing classes within substellar objects and understanding their formation and evolution need larger samples of substellar companions such as exoplanets, brown dwarfs, and low-mass stars. In this paper, we look for substellar companions using radial velocity surveys of FGK stars with the SOPHIE spectrograph at the Observatoire de Haute-Provence. We assign here the radial velocity variations of 27 stars to their orbital motion induced by low-mass companions. We also constrained their plane-of-the-sky motion using HIPPARCOS and Gaia Data Release 1 measurements, which constrain the true masses of some of these companions. We report the detection and characterization of six cool Jupiters, three brown dwarf candidates, and 16 low-mass stellar companions. We additionally update the orbital parameters of the low-mass star HD 8291 B, and we conclude that the radial velocity variations of HD 204277 are likely due to stellar activity despite resembling the signal of a giant planet. One of the new giant planets, BD+631405 b, adds to the population of highly eccentric cool Jupiters, and it is presently the most massive member. Two of the cool Jupiter systems also exhibit signatures of an additional outer companion. The orbital periods of the new companions span 30 days to 11.5 years, their masses 0.72 Jupiter mass to 0.61 Solar mass, and their eccentricities 0.04 to 0.88. These discoveries probe the diversity of substellar objects and low-mass stars, which will help constrain the models of their formation and evolution.

研究の動機と目的

• 質量が大きく、公軌道周期が長い準惑星同伴、特に冷却木星および褐色矮星のサンプルを拡大すること。これらは動的および形成的意義が大きいが、依然として十分に特徴づけられていない。
• HIPPARCOSおよびGaiaの位置測定データを径速度測定と組み合わせることで、sin iのデグレダシーを克服し、真の質量を特定し、惑星、褐色矮星、低質量星としての分類を明確にすること。
• 質量の大きな惑星および褐色矮星の軌道的構造と金属量の傾向を調査し、特にコア成長モデル対ディスク不安定性モデルの二分岐を検証すること。
• 短い公軌道周期にわたる褐色矮星の欠落（『褐色矮星の砂漠』）の構造を、離心率が高く、中程度の質量（30–60 MJ）の対象を検出することで探ること。

提案手法

• SOPHIE分光計を用いた径速度測定を、太陽に近いFGK型の恒星（60 pc以内）を対象として実施。
• スペクトル解析と星の活動性の特徴づけを実施し、惑星信号と星の磁気周期・ spots による信号を区別した。
• 径速度時間系列データにケプラー軌道フィットを適用し、同伴天体に起因する周期的信号を検出。
• HIPPARCOSおよびGaiaデータリリース1の位置測定制約を用い、sin iのデグレダシーを解消し、最小質量（m sin i）から真の質量を導出。
• 27システムの軌道パラメータ（周期、離心率、質量）を導出し、特に追加の長周期信号を示すシステムに特に注目した。
• Kolmogorov-Smirnov検定を含む統計的解析を実施し、4 MJを超えるとされる惑星を有する星とそれ未満の星の金属量分布を比較し、二峰性の形成経路を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 径速度で検出された準惑星同伴の真の質量分布は何か。位置測定データがその分類におけるsin iのデグレダシーをどのように解消するか。
• RQ2 新たに検出された冷却木星および褐色矮星の軌道離心率と周期は、既知の集団と比較してどう異なるか。これにより形成メカニズムに何が明らかになるか。
• RQ3 質量の大きな惑星（4 MJ以上と未満）を有する星の金属量分布に二峰性が見られるか。これは惑星形成モデルに何を示唆するか。
• RQ4 質量25〜60 MJ、公軌道周期576〜850日の中間質量の新たな褐色矮星は、短周期領域における『褐色矮星の砂漠』を埋めるのに寄与するか。
• RQ5 BD+550362およびHD 124330のような複雑なRV信号を示すシステムに、追加の長周期同伴が存在するか。それらは軌道的構造にどのように影響を与えるか。

主な発見

• 質量0.72〜2.16 MJ、公軌道周期30〜11.5年、離心率0.04〜0.88の6つの冷却木星が検出された。その中で、BD+631405 bは、m sin i = 2.16 MJ であり、最も質量が大きく、高い離心率を持つ既知の巨大惑星である。
• 最小質量が25〜60 MJ、公軌道周期576〜850日の3つの褐色矮星候補が特定された。そのうち2つ（49および60 MJ）は、それぞれ0.5および0.8の高い離心率を示し、高質量の褐色矮星がより高い離心率を示す傾向と整合的である。
• 質量0.072 M⊙を超える16個の低質量恒星同伴天体が確認された。質量は0.11〜0.61 M⊙、公軌道周期30日〜11.5年、離心率0.04〜0.65であり、すべて径速度と位置測定データの併用によって制約された。
• 巨大惑星を有する星の金属量分布には顕著な二峰性が見られた。m sin i ≤4 MJ の惑星を有する星は、より金属量が高い（p値 = 9.53×10⁻⁸）。これは、形成メカニズムの二分岐を支持する。
• HD 204277の径速度変動は、初期には巨大惑星に類似していたが、星の活動に起因するものであることが判明し、活動性モニタリングの重要性を強調した。
• BD+550362およびHD 124330の2つのシステムで、追加の長周期RVドリフトが観測され、外側の同伴天体の存在を示唆した。今後の観測が必要となる。