[论文解读] Finding Solar System Analogs With SIM and HIPPARCOS: A White Paper for the ExoPlanet Task Force

Rob P. Olling|ArXiv.org|Apr 23, 2007

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 3

一句话总结

本文提出一种新颖的天体测量方法，通过结合历史上的HIPPARCOS天体测量数据与未来的SIM快速浏览（SQL）巡天数据，以探测和表征太阳系类星系统（SOSAs）及大质量SOSAs（HOSAs）。利用SIM的高精度位置测量（10–4 μas），该方法可探测周期长达80–165年的1–10 M_J行星，有望识别数百个长周期系统，从而约束行星形成模型。

ABSTRACT

The astrometric signature imposed by a planet on its primary increases substantially towards longer periods (proportinal to P^2/3), so that long-period planets can be more easily detected, in principle. For example, a one Solar-mass (M_Sun) star would be pulled by roughly 1 mas by a one Jupiter-mass (M_J) planet with a period of one-hundred years at a distance of 20 pc. Such position accuracies can now be obtained with both ground-based and space-based telescopes. The difficulty was that it often takes many decades before a detectable position shift will occur. However, by the time the next generation of astrometric missions such as SIM will be taking data, several decades will have past since the first astrometric mission, HIPPARCOS. Here we propose to use a new astrometric method that employs a future, highly accurate SIM Quick-Look survey and HIPPARCOS data taken twenty years prior. Using position errors for SIM of 4 muas, this method enables the detection and characterization of Solar-system analogs (SOSAs) with periods up to 240 (500) years for 1 (10) M_J companions. Because many tens of thousands nearby stars can be surveyed this way for a modest expenditure of SIM time and SOSAs may be quite abundant, we expect to find many hundreds of extra-solar planets with long-period orbits. Such a data set would nicely complement the short-period systems found by the radial-velocity method. Brown dwarfs and low-mass stellar companions can be found and characterized if their periods are shorter than about 500 years. This data set will provide invaluable constraints on models of planet formation, as well as a database for systems where the location of the giant planets allow for the formation of low-mass planets in the habitable zone. [Abridged]

研究动机与目标

• 开发一种利用现有及未来天体测量数据探测长周期行星系统的新型方法。
• 通过利用历史HIPPARCOS数据与未来SIM快速浏览（SQL）巡天，克服长轨道周期带来的挑战。
• 估算HOSA（周期长达165年、质量为1–13 M_J的行星）的频率，并评估其在SIM级精度下的可探测性。
• 通过针对遥远轨道上存在巨行星的系统，为径向速度与成像巡天提供互补数据集。
• 通过识别最优观测周期与精度要求，指导未来全天区天体测量巡天的设计。

提出的方法

• 该方法结合过去HIPPARCOS天体测量数据（1989–1993年）与未来SIM快速浏览（SQL）巡天数据，建模恒星运动并探测长周期伴星引起的反向运动。
• 使用SIM数据拟合天体测量模型（线性、二次），预测恒星在HIPPARCOS观测 epoch 时的位置，再计算预测位置与实测位置之间的位置差（Δxy）。
• 该方法采用两个指标：Δxy,μ（基于自行）与Δxy,μ+ḋμ（包含加速度），有助于打破轨道参数估计中的周期-质量混淆。
• 假设SIM位置误差为保守值10 μas/次，更高精度（4 μas）可扩展探测极限。
• 通过利用二阶天体测量项（加速度与加加速度）的周期-质量混淆破除能力，约束轨道参数。
• 目标选择聚焦于ARIHIP星表中的非双星恒星，以优先筛选可能拥有亚恒星或长周期伴星的系统。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过结合历史HIPPARCOS数据与未来SIM快速浏览巡天，探测到长周期行星系统，包括太阳系类星系统？
• RQ2 在SIM级精度下，该天体测量方法可探测到的最大轨道周期与最小伴星质量分别是多少？
• RQ3 与仅使用自行相比，引入加速度（ḋμ）如何改善轨道参数的分离能力？
• RQ4 在约5,000颗恒星的SQL巡天中，若采用SIM级精度，预计可探测到多少颗HOSA（质量为1–13 M_J的行星）？
• RQ5 长周期系统的可探测性如何依赖于未来天体测量巡天的精度与观测周期？

主要发现

• 在保守的SIM位置误差10 μas条件下，该方法可探测并表征周期长达80年的1 M_J行星，以及周期长达165年的10 M_J行星。
• 在预期的SIM精度4 μas下，1 M_J行星的可探测周期范围可扩展至400年，10 M_J行星则可达660年。
• 当在SQL筛选后进行后续高精度SIM观测时，该方法可探测到10年轨道周期内的0.1 M_J行星。
• 对约5,000颗恒星进行的SQL巡天，若假设单星周围HOSA的预测频率为7.9%，预计可探测到约400颗HOSA。
• 探测的限制因素是SIM的位置测量精度，而非HIPPARCOS的误差，因此GAIA的较低精度不适用于此方法。
• 该方法通过利用二阶天体测量项（加速度与加加速度），有效打破了长周期系统中周期-质量的混淆。