[论文解读] Detecting circumbinary exoplanets and hierarchical stellar triples with the LISA gravitational radiation mission

Jason H. Steffen, Dong-Hong Wu+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 4

一句话总结

本文提出通过LISA任务数据中的引力波（GW）调制，探测环绕双白矮星（DWD）的系外行星和分级恒星三合星系统，主要机制为第三质量体轨道运动引起的双白矮星二元系统质心运动所导致的多普勒频移。在四年的任务周期内，LISA可探测到约10颗巨行星（M > 2 M_J），若任务延长至十年，探测数量可增至约100颗，假设系外行星的出现率与孤立恒星相似。

ABSTRACT

We investigate the possibility of detecting planetary or stellar companions orbiting white dwarf binaries using the LISA gravitational radiation detector. Specifically, we consider the acceleration of the barycenter of the white dwarf binary due to the orbiting third body as well as the effect of changes in the tidal field across the binary due to the perturber's eccentric orbit. We find that the movement of the barycenter is detectable for both stellar and planetary mass objects. If circumbinary planets occur with frequencies similar to gas giant planets around isolated main sequence stars, then we expect to find of order 10 such planets in four years of LISA observations. For a longer, ten-year mission the accessible parameter space for planetary mass, orbital period, and binary orbital period grows and LISA's associated yield increases to ~100 expected detections.

研究动机与目标

• 评估利用LISA任务引力波信号探测环绕双星系外行星和分级恒星三合星系统的可行性。
• 评估两种不同的引力波调制机制：质心加速度（多普勒频移）与潮汐场引起的轨道周期变化。
• 在关于系外行星出现率和DWD天体分布的合理假设下，估算可探测的环绕双星系外行星数量。
• 基于轨道参数和信噪比阈值，确定LISA对行星伴星的探测灵敏度。
• 比较行星质量伴星与恒星质量伴星的可探测性，并识别主导探测机制。

提出的方法

• 利用径向速度和轨道参数，建模由于第三质量体伴星引起的DWD双星系统质心运动所导致的引力波频率多普勒频移。
• 利用相对论多普勒公式和轨道力学推导频移幅度，包含质量比、半长轴和轨道倾角。
• 评估由椭圆轨道运行的第三质量体引起的潮汐场调制效应，计算其对引力波信号轨道周期变化的影响。
• 使用银河系DWD模型，估算具有合适轨道频率、可用于行星探测的可分辨DWD数量。
• 应用来自开普勒任务数据的系外行星出现率模型（Cumming et al. 2008），假设DWD周围系外行星出现率与孤立F、G和K型主序星相似，估算可探测的行星群体。
• 计算信噪比（S/N），采用S/N > 5的探测阈值，并对质量与轨道周期范围进行积分，估算预期探测数量。

实验结果

研究问题

• RQ1 LISA能否通过双白矮星二元系统质心运动引起的引力波调制，探测到环绕双星的系外行星？
• RQ2 在所提出的两种引力波调制机制中——质心多普勒频移与潮汐场引起的周期变化——哪一种在LISA探测中提供主导信号？
• RQ3 在假设系外行星出现率与孤立主序星相似的前提下，LISA在四年的任务周期和十年的任务周期内，预计可探测到多少颗可分辨的环绕双星系外行星？
• RQ4 行星的可探测性如何依赖于其质量与轨道周期相对于DWD双星轨道频率的关系？
• RQ5 在可分辨的DWD中，有多少比例会拥有可探测的行星伴星？此类探测在天空中的哪个区域最可能发生？

主要发现

• 由于质心运动引起的多普勒频移机制是主导且最易探测的信号，而潮汐场调制效应通常超出LISA的灵敏度范围。
• 在四年的LISA任务中，预计可探测到约10颗环绕双星的巨行星（M > 2 M_J），假设其出现率与F、G和K型孤立恒星相似。
• 将任务延长至十年，预期探测数量将增至约100颗，其中包括数十颗轨道周期小于100天的行星。
• 质量大于10 M_J且轨道周期小于100天的行星，几乎可在所有可分辨的DWD周围被探测到。
• 由于DWD密度更高且引力波信号更强，探测率在银河系中心附近最高。
• 与凌星巡天相比，该方法提供了更直接的探测策略，因为引力波信号稳定，可通过标准时域分析技术进行处理。