[论文解读] Search for giant planets in M67 III: excess of hot Jupiters in dense open clusters

Anna Brucalassi, L. Pasquini+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 54被引用 33

一句话总结

本研究报告了在致密的疏散星团M67中存在显著过量的热木星（HJs）——单星中占比5.6%，相较于场星而言，尽管其金属丰度为太阳值且恒星质量典型。通过多台望远镜的长期径向速度监测，作者发现M67中HJ频率最合理的解释是致密环境中的动力学相互作用，如恒星飞掠和行星-行星散射，与N体模拟结果一致。

ABSTRACT

Since 2008 we used high-precision radial velocity (RV) measurements obtained with different telescopes to detect signatures of massive planets around main-sequence and evolved stars of the open cluster (OC) M67. We aimed to perform a long-term study on giant planet formation in open clusters and determine how this formation depends on stellar mass and chemical composition. A new hot Jupiter (HJ) around the main-sequence star YBP401 is reported in this work. An update of the RV measurements for the two HJ host-stars YBP1194 and YBP1514 is also discussed. Our sample of 66 main-sequence and turnoff stars includes 3 HJs, which indicates a high rate of HJs in this cluster (~5.6% for single stars and ~4.5% for the full sample ). This rate is much higher than what has been discovered in the field, either with RV surveys or by transits. High metallicity is not a cause for the excess of HJs in M67, nor can the excess be attributed to high stellar masses. When combining this rate with the non-zero eccentricity of the orbits, our results are qualitatively consistent with a HJ formation scenario dominated by strong encounters with other stars or binary companions and subsequent planet-planet scattering, as predicted by N-body simulations.

研究动机与目标

• 调查疏散星团中行星系统形成与演化是否与场星环境不同，特别是巨行星出现频率方面。
• 确定环境因素（如恒星密度、双星分数及星团内动力学相互作用）是否影响热木星的形成。
• 检验M67中高金属丰度或高恒星质量是否可解释热木星的过量，鉴于此类因素在场星中与HJ频率无相关性。
• 评估M67中观测到的HJ频率是否与通过动力学散射和恒星相遇实现的行星迁移理论模型一致。
• 为星团环境在塑造行星系统结构（尤其是短周期气态巨行星）中的作用提供观测约束。

提出的方法

• 利用多台望远镜（ESO 3.6m、OHP 1.93m、Hobby-Eberly Telescope、TNG、Euler Swiss Telescope）对M67中66颗主序星及演化转折星进行了长期径向速度（RV）监测。
• 应用高精度RV测量以探测由行星伴星引起的多普勒频移，识别出围绕YBP401、YBP1194和YBP1514的三颗热木星的轨道解。
• 对先前已知的HJ宿主YBP1194和YBP1514更新了RV解，确认其行星性质及轨道参数。
• 计算单星中HJ的出现率（5.6%+5.4/-2.6%）及全样本（4.5%+4.5/-2.5%），并与场星中的频率（约1.2%）进行比较。
• 评估恒星参数（质量、金属丰度、表面重力）及轨道偏心率，以排除金属丰度和恒星质量作为HJ过量原因的可能性。
• 将结果与星团动力学的N体模拟进行比较，特别关注恒星飞掠和行星-行星散射作为致密环境中HJ形成机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 M67中热木星的出现率是否显著高于场星？若然，何种环境因素可解释此现象？
• RQ2 M67的高金属丰度或其宿主恒星的质量是否可解释观测到的热木星过量？
• RQ3 M67中热木星的轨道特征（如非零偏心率）是否与通过动力学散射或恒星飞掠形成的理论一致？
• RQ4 M67中观测到的HJ频率与致密星团环境的N体模拟预测结果如何比较？
• RQ5 M67中HJ宿主恒星的高保留率是否可由星团的动力学历史及高双星分数解释？

主要发现

• 在M67的单星中，热木星的出现率为5.6%（+5.4/-2.6%），显著高于场星中类太阳恒星约1.2%的频率。
• M67中HJ的过量无法归因于高恒星金属丰度，因为M67的金属丰度为太阳值；也无法归因于高宿主恒星质量，因为HJ宿主的质量接近1 M☉。
• 在M67中确认的三颗热木星（围绕YBP401、YBP1194和YBP1514）表现出非零轨道偏心率，支持其通过动力学散射或恒星飞掠形成的理论。
• M67中较高的双星分数与致密环境与N体模拟结果一致，表明此类条件可通过强烈的恒星相遇和行星-行星散射增强HJ的形成。
• 观测到的M67中HJ频率超过假设双星分数仅为10%的模拟预测，表明实际较高的双星分数（及其历史高值）在HJ生成中起关键作用。
• 结果表明，高恒星密度与高双星分数的星团环境可显著改变行星系统结构，更有利于HJ的形成，而非仅依赖原位形成或盘迁移。