[论文解读] Detectability of substellar companions around white dwarfs with Gaia

R. Silvotti, A. Sozzetti+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用 5

一句话总结

本文通过天体测量法模拟了盖亚任务探测白矮星周围亚恒星伴星（行星与棕矮星）的能力，假设由于恒星质量损失，轨道周期扩大了2.5倍。盖亚对质量为17–80 M_Jup、轨道周期为1–2年的伴星最为敏感，预计在5年任务期内可探测到多达106个此类天体，为白矮星周围宽轨道行星系统的存在提供首个实证证据。

ABSTRACT

To date not a single-bona fide planet has been identified orbiting a single white dwarf. In fact we are ignorant about the final configuration of >95% of planetary systems. Theoretical models predict a gap in the final distribution of orbital periods, due to the opposite effects of stellar mass loss (planets pushed outwards) and tidal interactions (planets pushed inwards) during the RGB and the AGB stellar expansions. Over its five year primary mission, Gaia is expected to astrometrically detect the first (few tens of) WD massive planets/BDs giving first evidence that WD planets exist, at least those in wide orbits. In this article we present preliminary results of our simulations of what Gaia should be able to find in this field.

研究动机与目标

• 评估盖亚通过天体测量手段探测白矮星周围亚恒星伴星的能力。
• 研究恒星质量损失对行星轨道演化的影响，特别是由膨胀与潮汐效应竞争导致的轨道周期间隙预测。
• 模拟盖亚5年主任务期间预期可探测到的白矮星周围宽轨道行星系统的数量。
• 评估盖亚对不同质量范围伴星（1–3、3–7、7–13、13–17和17–80 M_Jup）在不同轨道周期下的敏感度。
• 通过引入真实的白矮星和前体恒星质量，并在恒星演化过程中纳入潮汐效应，改进未来模拟。

提出的方法

• 使用Besançon银河系模型构建白矮星星表，包含薄盘、厚盘、晕和银心核球星族，视星等限制为R < 20.5，距离限制为d < 200 pc。
• 基于Casertano等人（2008年）的双盲模拟设置，采用盖亚任务发射前的误差模型，对5年标准任务期的天体测量数据进行模拟。
• 假设主序星到白矮星阶段的轨道扩张因子恒为2.5，基于1.5 M☉前体恒星的质量损失，未考虑潮汐效应。
• 对质量为1–17 M_Jup的行星采用幂律频率分布（α = -0.31，β = 0.26），对17–80 M_Jup质量范围采用均匀分布，累积频率为0.5%。
• 假设轨道周期 > 0.4年，除偏心率（0–0.6）外其余轨道元素均匀分布，并计算信噪比S/N > 3（99.9%置信水平）的探测效率。
• 计算探测效率曲线，并估算每个周期区间的可探测伴星数量，典型质量恢复误差为20–30%。

实验结果

研究问题

• RQ1 在5年任务期内，盖亚通过天体测量法预计能探测到多少颗白矮星周围的亚恒星伴星？
• RQ2 由于恒星质量损失导致的2.5倍轨道扩张因子，如何影响不同周期范围内行星的可探测性？
• RQ3 尽管在更长周期下探测效率通常更高，为何盖亚对轨道周期在1至2年之间的伴星探测效率最高？
• RQ4 对白矮星质量恒定且忽略潮汐效应的假设，如何影响模拟结果及其可靠性？
• RQ5 考虑到近期对周期间隙外缘的理论约束，当前模拟在多大程度上高估了周期小于2年的可探测行星数量？

主要发现

• 在5年任务期内，盖亚预计可探测到多达106颗质量在17至80 M_Jup之间的亚恒星伴星，主要集中在1–2年轨道周期范围内。
• 尽管探测效率总体随周期增加而上升，但探测效率峰值出现在1–2年轨道周期的伴星中，原因在于刚性2.5倍轨道扩张因子使主序星的长周期轨道超出5年任务时间窗口。
• 在1–3 M_Jup质量范围内预计无探测到任何伴星，3–7 M_Jup范围在所有周期区间内仅预测3次总探测。
• 7–13 M_Jup范围共预测9次探测，其中5次在1–2年区间，4次在2–3年区间。
• 13–17 M_Jup范围共预测26次探测，其中14次在1–2年区间，8次在2–3年区间，4次在3–5年区间。
• 结果表明，盖亚将首次为白矮星周围宽轨道大质量行星的存在提供实证证据，尤其集中在1–2年周期区间。