[论文解读] Planets around evolved intermediate-mass stars. I. Two substellar companions in the open clusters NGC 2423 and NGC 4349

C. Lovis, M. Mayor|ArXiv.org|Jun 14, 2007

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 50被引用 147

一句话总结

本研究利用HARPS和Coralie高精度光谱仪，首次在疏散星团NGC 2423和NGC 4349中探测到围绕演化中间质量恒星的系外巨行星（10.6 M_Jup）和棕矮星（19.8 M_Jup）的径向速度信号。研究结果表明，在质量介于1.5至4 M☉之间的恒星周围，大质量行星的频率更高，暗示行星形成效率与恒星质量及原行星盘质量呈正相关。

ABSTRACT

Context. Many efforts are being made to characterize extrasolar planetary systems and unveil the fundamental mechanisms of planet formation. An important aspect of the problem, which remains largely unknown, is to understand how the planet formation process depends on the mass of the parent star. In particular, as most planets discovered to date orbit a solar-mass primary, little is known about planet formation around more massive stars. Aims. To investigate this point, we present first results from a radial velocity planet search around red giants in the clump of intermediate-age open clusters. We choose clusters harbouring red giants with masses between 1.5 and 4 M_sun, using the well-known cluster parameters to accurately determine the stellar masses. We are therefore exploring a poorly-known domain of primary masses, which will bring new insights into the properties of extrasolar planetary systems. Methods. We are following a sample of about 115 red giants with the Coralie and HARPS spectrographs to obtain high-precision radial velocity (RV) measurements and detect giant planets around these stars. We use bisector and activity index diagnostics to distinguish between planetary-induced RV variations and stellar photospheric jitter. Results. We present the discoveries of a giant planet and a brown dwarf in the open clusters NGC 2423 and NGC 4349, orbiting the 2.4 M_sun-star NGC2423 No3 (TYC 5409-2156-1) and the 3.9 M_sun-star NGC4349 No127 (TYC 8975-2606-1). These low-mass companions have orbital periods of 714 and 678 days and minimum masses of 10.6 and 19.8 M_jup, respectively. Combined with the other known planetary systems, these detections indicate that the frequency of massive planets is higher around intermediate-mass stars, and therefore probably scales with the mass of the protoplanetary disk.

研究动机与目标

• 研究中间质量恒星（1.5–4 M☉）周围的行星形成过程，该领域相较于类太阳恒星仍缺乏充分探索。
• 通过利用参数约束良好的星团参数，克服场星红巨星质量估算中的不确定性，以获得更精确的质量值。
• 利用高精度径向速度测量，探测并表征围绕演化中间质量恒星的巨行星和棕矮星。
• 评估行星频率与质量分布对宿主恒星质量的依赖性，特别是对大质量行星的影响。
• 通过双曲线跨度和活动指数诊断方法，区分由行星引起的径向速度变化与恒星自身活动引起的抖动。

提出的方法

• 利用HARPS和Coralie光谱仪对约115颗红巨星在中等年龄疏散星团中进行高精度径向速度监测。
• 利用星团参数（年龄、金属丰度、距离）精确确定红巨星在水平分支区域的质量，不确定度低于±0.5 M☉。
• 应用双曲线跨度和色球层活动指数诊断方法，以区分由行星引起的径向速度变化与恒星内在抖动。
• 对行星伴星采用一致的探测阈值，包括质量高达40 M_Jup的天体，以避免对大质量行星和棕矮星普查产生偏差。
• 将行星候选体定义为最小质量≥13 M_Jup且轨道周期<1000天的天体，排除靠近双星系统。
• 计算不同恒星质量区间内的行星频率及每单位恒星质量的平均行星系统质量，以评估恒星质量谱中的趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 在疏散星团中，围绕演化中间质量恒星（1.5–4 M☉）的大质量行星和棕矮星的频率是多少？
• RQ2 巨行星的出现率如何随宿主恒星质量变化，特别是与类太阳恒星和低质量恒星相比？
• RQ3 尽管存在恒星内在变异性，高精度径向速度巡天是否仍能探测到演化中间质量恒星的行星信号？
• RQ4 行星系统的质量分布是否随宿主恒星质量而变化？这对行星形成模型有何启示？
• RQ5 观测到的趋势是否与核心吸积或盘不稳定性行星形成理论一致？

主要发现

• 在2.4 M☉的红巨星NGC2423 No3周围探测到一颗最小质量为10.6 M_Jup、轨道周期为714天的巨行星。
• 在3.9 M☉的红巨星NGC4349 No127周围发现一颗最小质量为19.8 M_Jup、轨道周期为678天的棕矮星。
• 在中间质量恒星中，行星频率（200个目标中占2.5%）显著高于类太阳恒星中观测到的0.5%，该差异由随机因素导致的概率仅为0.3%。
• 行星系统平均质量随宿主恒星质量增加而上升，表明总行星质量与恒星质量成正比，与更高质量恒星周围存在更大质量原行星盘的假设一致。
• 研究结果挑战了部分核心吸积模型的预测，即在超过1 M☉的恒星周围巨行星频率应下降，表明在中间质量恒星周围大质量行星的形成效率更高。
• 在星团环境中探测到大质量伴星，支持了在仔细监测并校正恒星活动的前提下，径向速度巡天可有效探测演化中间质量恒星的行星信号。