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論文関連の(ほぼ)個人用メモ。



arXiv:1706.07807
Dong et al. (2017)
LAMOST Reveals Neptune-size Cousins of hot Jupiters, preferentially in "(metal-)rich" and "one-child" Kepler families
(LAMOST により明らかになった,金属豊富で単一のケプラー惑星に優先的に存在する海王星サイズのホットジュピター類似惑星)

概要

ホットジュピターとの類似点を持つ,短周期の海王星サイズの新しい惑星のポピュレーション (集団) を見出した.この新しいポピュレーションに属する惑星とホットジュピターは,どちらも金属豊富な恒星を主星に持ち,またどちらもケプラーで検出された系において,単一のトランジット惑星として発見されている (複数惑星系ではない).

ここでは,精密な LAMOST DR4 の主系列星の恒星パラメータを用い,短周期 (1 〜 10 日) のケプラーで発見された惑星の分布を,中心星の金属量の関数として研究した.

金属豊富な恒星の周りでの惑星の半径分布は,金属欠乏星まわりの惑星の半径に比べてより “puffed up” している (膨らんでいる) ことが分かった.

2 つの軌道周期-半径レジームにおいて,惑星は金属豊富な恒星の周りに優先的に存在するが,一方で金属欠乏星の周りでは惑星の存在頻度は小さい.この 2 つのレジームの一つは,よく知られているホットジュピターであり,もう一つのレジームは,海王星サイズ (2 - 6 地球半径) の新しいポピュレーションであり,ここではそれらを “Hoptunes” と呼ぶことにする.

ホットジュピターと同様に,Hoptunes は複数のトランジット惑星を持つ系よりも,単一のトランジット惑星を持つ系でよく見られる.
太陽型星のうちおよそ 1%が Hoptunes を持ち,Hoptunes とホットジュピターの存在頻度は,一貫して中心星の金属量 [Fe/H] の増加関数であった.すなわち,恒星の金属量が多いほど,ホットジュピターも Hoptunes も存在頻度が大きくなる.

惑星半径の分布を見ると,ホットジュピターと Hoptunes は,おおよそ土星サイズの惑星 (6 - 10 地球半径) に相当する場所にある “valley” によって隔てられている.そしてこの “hot-Saturn valley” の領域における惑星の存在頻度は,ホットジュピターや Hoptunes の存在頻度と比べるとおおよそ 1 桁程度小さい.

今回見出された Hoptunes とホットジュピターの観測的な “近縁関係” は,これらの惑星が現在の状態に至るまでの共通のプロセス (惑星移動過程か形成過程,あるいはその両方) を持つことを示唆する.

LAMOST のデータとサンプル抽出

LAMOST-Kepler プロジェクト

ケプラーの観測対象を観測するためのプロジェクトとして,4 m 望遠鏡 Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope (LAMOST, あるいは Guo Shoujing Telescope) (※郭守敬,元の時代の天文学者から名前が取られている) を用いた,”LAMOST-Kepler project” というものがある (De Cat et al. 2015など).

この観測プロジェクトでは,恒星の分光観測を行い,有効温度,表面重力,金属量を高精度で測定している.LAMOST の第四次データリリース (DR4) では,60000 個の AFGK 型の恒星のデータを公開し,この中には多数のケプラーで観測された恒星を含んでいる.これ,全てのケプラーターゲットのおよそ 30%に相当する.

サンプル選定

恒星のサンプル中から,有効温度が 4700 - 6500 K の範囲であり,表面重力が log g > 4.0 のものを抽出した.抽出したサンプル数は 30727 個であった.また,恒星質量と半径は,等時線 (isochrone) のフィッティングから推定した (Xie et al. 2016).

その後,ケプラーの惑星候補カタログと交差試験をして,偽陽性 (惑星由来のシグナルではないと判定されたイベント) のものと,大きな偽陽性確率を持つものを除去した.

LAMOST から得られた恒星のパラメータは,惑星の半径を導出するのに使用した,このパラメータの典型的なエラーは 15%である.

さらに,惑星のうち軌道周期が 1 - 10 日で,半径が 1 - 20 地球半径のものを抽出した.その結果,惑星のサンプルは 256 個の惑星系の 295 個となった.このうち 151 個の惑星は,ケプラーで惑星が一つだけ発見されている系であり,残りの 144 個は複数惑星系中に存在し,系内の他のトランジット惑星は上記の抽出条件を必ずしも満たさないものである.

解析・結果

中心星の金属量による分布の違い

恒星のサンプルを,金属量で 2 つのグループに分類した.金属量 [Fe/H] ≧ 0 であるものと,[Fe/H] < 0 のものの 2 つに分割した.

金属量が少ない恒星については,いくつかの天体を除けば,ほとんどすべての惑星は軌道周期-半径平面では底の方に位置している.軌道周期が 1 - 3 日のものは,惑星半径は ~ 2 地球半径より小さい.一方で,軌道周期が 3 - 10 日のものは,惑星半径の上限値は軌道周期が大きくなるに従って 2 地球半径から 4 地球半径に上昇する傾向がある.
軌道周期が 3 日より長い領域では,この上限値の境界線は,Mazeh et al. (2016) で言及されている “desert” 領域 (惑星欠乏領域) の下側境界に近い.

一方,金属量が豊富な恒星の周りでは,全体の 3/4 の惑星が,上記の境界線の下側に集中していることが分かった.また,残りのおよそ 1/4 の惑星は,金属量が少ない恒星の周りでは惑星が欠乏していた領域に存在している.

このような,金属量豊富な恒星の周りにある ~ 10 地球半径よりも大きい惑星のポピュレーションには,ホットジュピターがある.
もうひとつは,ここで指摘している,金属豊富な恒星周りに存在し,半径が ~ 6 地球半径よりも小さく,一方で先述の下限値よりも大きい半径を持つものである.これらのサイズは 2 - 6 地球半径で,海王星の 4 地球半径に近い.しかし,これらの惑星の全てが物理的に海王星と類似しているかは不明である.これらの物理状態には,海王星型か,スーパーアース的か,ミニネプチューン的か,あるいはさらにその他の可能性といった不定性がある.そのため,ここではこのポピュレーションに属する惑星を “Hoptunes” と呼ぶことにする.

新しいポピュレーションとホットジュピターの類似性

次に,Hptunes とホットジュピターの間にある 2 つの目立った類似性を含む,惑星分布の 3 つの主要な特徴について議論する.また,これらの半径分布を隔てている明瞭な “valley” (惑星存在頻度が低いパラメータ領域) についても議論する.
1) Hoptunes とホットジュピターは金属豊富星まわりに優先的に存在し,どちらのポピュレーションも惑星の存在頻度は中心星の [Fe/H] と相関する
金属量が豊富な恒星の周りには,ホットジュピターと Hoptunes はそれぞれ 17 個と 24 個存在した.サンプル中での存在頻度はそれぞれ 9.1 (+2.8, -2.2)%と 12.9 (+3.2, -2.6)%である.

もし金属欠乏星の周りでも存在頻度が上記と同じであれば,今回のサンプル中にはそれぞれ 10 個程度のホットジュピター,14 個程度の Hoptunes が存在することが期待される.しかし実際には,ホットジュピター 1 個と Hoptunes 2 個のみであった.

横軸に中心星の金属量 [Fe/H],縦軸に惑星の累積個数比 (cumulative fraction) をとった場合の分布を見ると,ホットジュピターと Hoptune は類似した分布をしている.この図上において,中心星の金属量が [Fe/H] < 0 の領域では,ホットジュピターと Hoptunes の存在数が少ないため,累積個数の推移は横ばいになり,[Fe/H] が 0 を超えた辺りからは存在個数が多くなるため,推移が急激に増加するという振る舞いを見せる.

一方で,ホットジュピターでも Hoptunes でもないその他の高温の惑星についてはやや分布が異なり,中心星の金属量が [Fe/H] = 0 より小さい領域でも,累積個数比の推移が増加している.
コルモゴロフ・スミルノフ検定を行うと,「ホットジュピターを持つ恒星」と,「恒星全体のサンプル」,および「その他の高温惑星を持つ恒星」の累積個数比の分布は異なった推移を持ち,p 値 (p-value) は「ホットジュピターを持つ恒星」と「恒星全体のサンプル」の間では 0.003%,「ホットジュピターを持つ恒星」と「その他の高温惑星を持つ恒星」の間では 0.032%であった.

「Hoptunes を持つ恒星」での累積個数比の推移も,「恒星全体のサンプル」と「その他の高温惑星を持つ恒星」とは非整合であり,p 値はそれぞれ 0.0004%と 0.026%であった.

一方,「ホットジュピターを持つ恒星」と「Hoptunes を持つ恒星」の間の p 値は 45%であった.

その他の高温惑星 (1 - 2 地球半径の地球サイズ惑星が多い) の分布も,恒星全体のサンプルと比べると急な傾斜であった.ただしその度合は,ホットジュピターや Hoptunes のそれらよりずっと小さい.「恒星全体のサンプル」と「その他の高温惑星を持つ恒星」の間の p 値は 0.2%であった.これは Mulders et al. (2016) の結論である,金属豊富な恒星周りに高温な地球型惑星が多い傾向があるという指摘と定性的に整合する.
2) Hoptunes とホットジュピターは,どちらもケプラーの単一トランジット惑星系に多く見られる
ホットジュピターの特徴的な点は,ホットジュピターに近い軌道には他の惑星を持たない傾向にあるという点である (Steffen et al. 2012).

ここで解析しているホットジュピターは全て,ただ一つの惑星のみが発見されている系であり,Hoptunes の大部分もケプラーの観測では単一惑星系である (73%が単一惑星系に存在する).

対照的に,軌道周期-惑星半径の分布図上で.金属欠乏星に見られる惑星欠乏領域の上限ラインよりも小さい半径を持つ惑星の場合,半分よりやや少ない惑星 (45%) が単一の惑星を持つ系であった.

また注目すべき点として,単一の惑星系である割合は,金属欠乏星と金属豊富星の間で同じであり,今回のサンプル中では,金属欠乏星では 46%,金属豊富性では 43%が単一惑星系であった.そのため,Hoptunes もホットジュピターと同様に,その他の高温惑星のグループと比べると惑星系に単独で存在している傾向にあると言える.

2 項分布に基づいた尤度解析を用いると,Hoptunes が単一惑星系である割合は,ホットジュピターのそれよりも 2.9 σ と統計的に有意に小さいことも分かった.
3) Hoptunes とホットジュピターは “hot-Saturn valley” で分割されている
今回解析したサンプル中では,土星サイズ (およそ 6 - 10 地球半径) の惑星は存在頻度が小さい.これは,惑星半径の分布で見ると Hoptunes とホットジュピターの間に当たる領域である.この欠乏を “hot-Saturn Valley” と呼ぶことにする.

この傾向は惑星の累積個数分布にも明確に見られ, ~ 6.5 地球半径と ~ 10 地球半径に明確な分布の折れ曲がりがある.この 2 つの折れ曲がりの間では,惑星の存在頻度が両サイドの領域よりも大幅に少ない.

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