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The VLT/NaCo large program to probe the occurrence of exoplanets and brown dwarfs at wide orbits

Authors :
Ken Rice
Christian Thalmann
Thomas Henning
Damien Ségransan
H. Le Coroller
Maddalena Reggiani
Julien Girard
J. L. Beuzit
Raffaele Gratton
Markus Feldt
S. Messina
Joshua E. Schlieder
Mariangela Bonavita
David Mouillet
Gael Chauvin
Arthur Vigan
A-M. Lagrange
Sascha P. Quanz
Philippe Delorme
Silvano Desidera
Duncan Forgan
Markus Janson
C. Mordasini
Beth Biller
Joseph C. Carson
Anthony Boccaletti
Janis Hagelberg
Dino Mesa
Guillaume Montagnier
C. Moutou
Elvira Covino
Michael Meyer
Alice Zurlo
J.-C. Meunier
Esther Buenzli
Markus Kasper
Mickael Bonnefoy
Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (LAM)
Aix Marseille Université (AMU)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
INAF - Osservatorio Astronomico di Padova (OAPD)
Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF)
Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA)
Max-Planck-Gesellschaft
Laboratoire d'Astrophysique de Grenoble (LAOG)
Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Erosion torrentielle neige et avalanches (UR ETGR (ETNA))
Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (IRSTEA)
Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble (IPAG)
Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire des Sciences de l'Univers de Grenoble (OSUG)
Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP)-Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (IRSTEA)-Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP)-Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (IRSTEA)-Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Institute of Astronomy [ETH Zürich]
Department of Physics [ETH Zürich] (D-PHYS)
Eidgenössische Technische Hochschule - Swiss Federal Institute of Technology in Zürich [Zürich] (ETH Zürich)-Eidgenössische Technische Hochschule - Swiss Federal Institute of Technology in Zürich [Zürich] (ETH Zürich)
Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (LESIA)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Observatoire de Paris
PSL Research University (PSL)-PSL Research University (PSL)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)
ESO
Physics Department [Garching]
Technical University of Munich (TUM)-Technical University of Munich (TUM)
Observatoire de Haute-Provence (OHP)
Institut Pythéas (OSU PYTHEAS)
Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Aix Marseille Université (AMU)-Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (IRSTEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Aix Marseille Université (AMU)-Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (IRSTEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Department of Biochemistry and Molecular Biology
Mayo Clinic
INAF - Osservatorio Astrofisico di Catania (OACT)
Recherche Nutrition Humaine
Hôpital de l'Hôtel-Dieu de Clermont-Ferrand
European Southern Observatory (ESO)
Physikalisches Institut [Bern]
Universität Bern [Bern]
Dipartimento di Biochimica G. Moruzzi Sez di Chimica e Propedeutica Biochimica Bologna 40126
Observatoire Astronomique de l'Université de Genève (ObsGE)
Université de Genève (UNIGE)
SUPA, Institute for Astronomy, The University of Edinburgh, Royal Observatory, Blackford Hill, Edinburgh, EH9 3HJ, UK
SUPA, School of Physics and Astronomy, University of St Andrews, North Haugh, St. Andrews, KY16 9SS, UK
Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Observatoire des Sciences de l'Univers de Grenoble (OSUG )
Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Météo-France -Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Météo-France
NASA ExoPlanet Science Institute (NExScI)
California Institute of Technology (CALTECH)
Department of Physics and Astronomy, University of Missouri
Osservatorio Astronomico di Cagliari, Astrochemistry Group (INAF)
Department of Astronomy, Stockholm University, AlbaNova University Center, 106 91, Stockholm, Sweden
Institute for Astronomy, Department of Physics, ETH Zürich
Nucleo de Astronomia, Facultad de Ingenieria, Universidad Diego Portales, Av. Ejercito 441, Santiago, Chile
Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire de Paris
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
European Southern Observatory
INAF-Osservatorio Astrofisico di Catania (INAF-OACt)
Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Aix Marseille Université (AMU)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Aix Marseille Université (AMU)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)
University of Bern (UBERN)
Canada-France-Hawaii Telescope Corporation (CFHT)
National Research Council of Canada (NRC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-University of Hawai'i [Honolulu] (UH)
Observatoire Astronomique de l'Université de Genève
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Aix Marseille Université (AMU)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)
Institute for Astronomy [Edinburgh] (IfA)
University of Edinburgh
Max Planck Institute for Astronomy (MPIA)
SUPA School of Physics and Astronomy [University of St Andrews]
University of St Andrews [Scotland]-Scottish Universities Physics Alliance (SUPA)
Centre for Exoplanet Science
Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Observatoire des Sciences de l'Univers de Grenoble (OSUG )
Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (IRSTEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (IRSTEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])
Max Planck Society
College of Charleston
INAF - Osservatorio Astronomico di Capodimonte (OAC)
Stockholm University
Eidgenössische Technische Hochschule - Swiss Federal Institute of Technology [Zürich] (ETH Zürich)- Eidgenössische Technische Hochschule - Swiss Federal Institute of Technology [Zürich] (ETH Zürich)
Universidad Diego Portales [Santiago] (UDP)
Universidad de Chile = University of Chile [Santiago] (UCHILE)
Aix Marseille Université (AMU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (IRSTEA)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Aix Marseille Université (AMU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (IRSTEA)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)
French National Research Agency (ANR) : ANR10-BLANC0504-01
French National Research Agency (ANR) : ANR-14-CE33-0018
ECOGAL - European Research Council under ERC-ADG : 291227
Istituto Nazionale Astrofisica (INAF)Ministry of Education, Universities and Research (MIUR)Research Projects of National Relevance (PRIN)
Ministry of Education, Universities and Research (MIUR)
UK Research & Innovation (UKRI) - Science & Technology Facilities Council (STFC) : ST/M001229/1
National Science Foundation (NSF) : 1009203
Swiss National Science Foundation (SNSF) - European Commission : BSSGI0_155816
European Union Seventh Framework Programme (ETAEARTH) : 313014
Source :
Astronomy and Astrophysics-A&A, Astronomy and Astrophysics-A&A, EDP Sciences, 2017, 603, pp.A3. ⟨10.1051/0004-6361/201630133⟩, Astronomy and Astrophysics-A&A, EDP Sciences, 2017, 603, Vigan, A, Bonavita, M, Biller, B, Forgan, D, Rice, K, Chauvin, G, Desidera, S, Meunier, J-C, Delorme, P, Schlieder, J E, Bonnefoy, M, Carson, J, Covino, E, Hagelberg, J, Henning, T, Janson, M, Lagrange, A-M, Quanz, S P, Zurlo, A, Beuzit, J-L, Boccaletti, A, Buenzli, E, Feldt, M, Girard, J H V, Gratton, R, Kasper, M, Le Coroller, H, Mesa, D, Messina, S, Meyer, M, Montagnier, G, Mordasini, C, Mouillet, D, Moutou, C, Reggiani, M, Segransan, D & Thalmann, C 2017, ' The VLT/NaCo large program to probe the occurrence of exoplanets and brown dwarfs at wide orbits: IV. Gravitational instability rarely forms wide, giant planets ⋆ ', Astronomy & Astrophysics, vol. 603, A3 . https://doi.org/10.1051/0004-6361/201630133
Publication Year :
2017
Publisher :
EDP Sciences, 2017.

Abstract

Understanding the formation and evolution of giant planets ($\ge$1 $M_{Jup}$) at wide orbital separation ($\ge$5 AU) is one of the goals of direct imaging. Over the past 15 years, many surveys have placed strong constraints on the occurrence rate of wide-orbit giants, mostly based on non-detections, but very few have tried to make a direct link with planet formation theories. In the present work, we combine the results of our previously published VLT/NaCo large program with the results of 12 past imaging surveys to constitute a statistical sample of 199 FGK stars within 100 pc, including 3 stars with sub-stellar companions. Using Monte Carlo simulations and assuming linear flat distributions for the mass and semi-major axis of planets, we estimate the sub-stellar companion frequency to be within 0.75-5.7% at the 68% confidence level (CL) within 20-300 AU and 0.5-75 $M_{Jup}$, which is compatible with previously published results. We also compare our results with the predictions of state-of-the-art population synthesis models based on the gravitational instability (GI) formation scenario by Forgan & Rice (2013), with and without scattering. We estimate that in both the scattered and non-scattered populations, we would be able to detect more than 30% of companions in the 1-75 $M_{Jup}$ range (95% CL). With the 3 sub-stellar detections in our sample, we estimate the fraction of stars that host a planetary system formed by GI to be within 1.0-8.6% (95% CL). We also conclude that even though GI is not common, it predicts a mass distribution of wide-orbit massive companions that is much closer to what is observed than what the core accretion scenario predicts. Finally, we associate the present paper with the release of the Direct Imaging Virtual Archive (DIVA, http://cesam.lam.fr/diva/), a public database that aims at gathering the results of past, present, and future direct imaging surveys.<br />20 pages, 11 figures. Accepted for publication in A&A

Details

Language :
English
ISSN :
00046361
Database :
OpenAIRE
Journal :
Astronomy and Astrophysics-A&A, Astronomy and Astrophysics-A&A, EDP Sciences, 2017, 603, pp.A3. ⟨10.1051/0004-6361/201630133⟩, Astronomy and Astrophysics-A&A, EDP Sciences, 2017, 603, Vigan, A, Bonavita, M, Biller, B, Forgan, D, Rice, K, Chauvin, G, Desidera, S, Meunier, J-C, Delorme, P, Schlieder, J E, Bonnefoy, M, Carson, J, Covino, E, Hagelberg, J, Henning, T, Janson, M, Lagrange, A-M, Quanz, S P, Zurlo, A, Beuzit, J-L, Boccaletti, A, Buenzli, E, Feldt, M, Girard, J H V, Gratton, R, Kasper, M, Le Coroller, H, Mesa, D, Messina, S, Meyer, M, Montagnier, G, Mordasini, C, Mouillet, D, Moutou, C, Reggiani, M, Segransan, D & Thalmann, C 2017, ' The VLT/NaCo large program to probe the occurrence of exoplanets and brown dwarfs at wide orbits: IV. Gravitational instability rarely forms wide, giant planets ⋆ ', Astronomy & Astrophysics, vol. 603, A3 . https://doi.org/10.1051/0004-6361/201630133
Accession number :
edsair.doi.dedup.....ecce32e1dad8939edd187ef0d431aa1f
Full Text :
https://doi.org/10.1051/0004-6361/201630133⟩