[论文解读] The Occurrence of Potentially Habitable Planets Orbiting M Dwarfs Estimated from the Full Kepler Dataset and an Empirical Measurement of the Detection Sensitivity

Courtney D. Dressing, David Charbonneau|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 37

一句话总结

本研究利用完整的开普勒数据集和对探测灵敏度的实证测量，估算在M型矮星周围潜在可居住行星的出现率。通过每颗恒星注入2,000个合成凌星信号并校正假阳性，作者发现，在保守宜居带中，每颗M型矮星平均拥有0.16⁺⁰.¹⁷₋₀.₀₇颗地球大小和0.12⁺⁰.¹⁰₋₀.₀₅颗超级地球大小的行星，非凌星候选者最近的此类行星可能位于2.6 pc以内，而凌星候选者则在10.6 pc以内。

ABSTRACT

We present an improved estimate of the occurrence rate of small planets orbiting small stars by searching the full four-year Kepler data set for transiting planets using our own planet detection pipeline and conducting transit injection and recovery simulations to empirically measure the search completeness of our pipeline. We identified 156 planet candidates, including one object that was not previously identified as a Kepler Object of Interest. We inspected all publicly available follow-up images, observing notes, and centroid analyses, and corrected for the likelihood of false positives. We evaluated the sensitivity of our detection pipeline on a star-by-star basis by injecting 2000 transit signals into the light curve of each target star. For periods shorter than 50 days, we find 0.56 (+0.06/-0.05) Earth-size planets (1-1.5 Earth radii) and 0.46 (+0.07/-0.05) super-Earths (1.5-2 Earth radii) per M dwarf. In total, we estimate a cumulative planet occurrence rate of $2.5\\pm0.2$ planets per M dwarf with radii 1-4 Earth radii and periods shorter than 200 days. Within a conservatively defined habitable zone based on the moist greenhouse inner limit and maximum greenhouse outer limit, we estimate an occurrence rate of 0.16 (+0.17/-0.07) Earth-size planets and 0.12 (+0.10/-0.05) super-Earths per M dwarf habitable zone. Adopting the broader insolation boundaries of the recent Venus and early Mars limits yields a higher estimate of 0.24 (+0.18/-0.08) Earth-size planets and 0.21 (+0.11/-0.06) super-Earths per M dwarf habitable zone. This suggests that the nearest potentially habitable non-transiting and transiting Earth-size planets are $2.6\\pm0.4$ pc and 10.6 (+1.6/-1.8) pc away, respectively. If we include super-Earths, these distances diminish to $2.1\\pm0.2$ pc and 8.6 (+0.7/-0.8) pc.

研究动机与目标

• 利用完整的四年开普勒数据集，改进对M型矮星周围小行星出现率的估计。
• 通过重新评估低质量恒星的恒星参数，校正开普勒输入星表中的偏差。
• 通过分析后续成像、质心偏移和观测记录，降低假阳性污染。
• 通过每颗恒星注入2,000个合成凌星信号，实证测量探测灵敏度，以评估数据处理流水线的完整性。
• 推导半径为1–4 R⊕、周期小于200天的行星的累积出现率，以及在宜居带内的出现率。

提出的方法

• 将自定义的系外行星探测流水线应用于完整的开普勒光变曲线，以识别系外行星候选者。
• 开展凌星信号注入与回收模拟，逐星测量探测完整性。
• 利用光度和天体测量的后续数据，评估并校正假阳性概率。
• 通过在每颗目标恒星的光变曲线上注入2,000个合成凌星信号，采用实证方法测量探测灵敏度。
• 使用一种统计框架计算出现率，该框架同时考虑探测完整性与假阳性校正。
• 使用保守（潮湿温室至最大温室）和更广泛（近期金星至早期火星）的辐照度极限定义宜居带。

实验结果

研究问题

• RQ1 在考虑探测完整性与假阳性校正后，地球大小与超级地球大小行星在M型矮星周围的真正出现率是多少？
• RQ2 开普勒流水线的探测灵敏度如何随不同恒星与行星参数而变化？
• RQ3 M型矮星周围半径为1–4 R⊕、轨道周期小于200天的行星的累积出现率是多少？
• RQ4 在保守与更广泛定义的宜居带中，每颗M型矮星预计有多少颗潜在可居住的地球大小与超级地球大小行星？
• RQ5 预计距离最近的潜在可居住非凌星与凌星地球大小行星分别有多远？

主要发现

• 轨道周期小于50天的地球大小行星（1–1.5 R⊕）的出现率为每颗M型矮星0.56⁺⁰.⁰⁶₋₀.⁰⁵。
• 轨道周期小于50天的超级地球（1.5–2 R⊕）的出现率为每颗M型矮星0.46⁺⁰.⁰⁷₋₀.⁰⁵。
• 半径为1–4 R⊕、周期小于200天的行星的累积出现率为每颗M型矮星2.5±0.2。
• 在保守宜居带中，地球大小行星的出现率为每颗M型矮星0.16⁺⁰.¹⁷₋₀.₀⁷，超级地球为0.12⁺⁰.¹⁰₋₀.₀⁵。
• 采用更广泛的辐照度极限时，出现率上升至每颗M型矮星0.24⁺⁰.¹⁸₋₀.₀⁸颗地球大小行星和0.21⁺⁰.¹¹₋₀.₀⁶颗超级地球。
• 最近的潜在可居住非凌星地球大小行星预计距离为2.6±0.4 pc，最近的凌星候选者为10.6⁺¹.⁶₋₁.⁸ pc。