[論文レビュー] AU Mic b is the Youngest Planet to have a Spin-Orbit Alignment Measurement

Brett Addison, Jonathan Horner+21 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 100被引用数 30

ひとこと要約

本研究では、20 Myrの若さのM型矮星の周りを回るNeptuneサイズの系外惑星AU Mic bについて、Minerva-Australis望遠鏡アレイによる径速度観測を用いて、初めてのスカイプロジェクテッドスピン軌道角の測定を実施した。星の活動性や完全な transit 観測の欠如という課題にもかかわらず、解析により λ = 47⁺²⁶₋⁵⁴° が得られ、これは整列した軌道と歪んだ軌道の両方に一致しており、この若い系外惑星系の形成機構としてディスク移行が最も可能性が高いことを支持する。

ABSTRACT

We report measurements of the sky-projected spin-orbit angle for AU\,Mic\,b, a Neptune-size planet orbiting a very young ($\sim20$\,Myr) nearby pre-main sequence M dwarf star which also hosts a bright, edge-on, debris disk. The planet was recently discovered from preliminary analysis of radial velocity observations and confirmed to be transiting its host star from photometric data from the NASA's extit{TESS} mission. We obtained radial velocity measurements of AU\,Mic over the course of two partially observable transits and one full transit of planet b from high-resolution spectroscopic observations made with the { extsc{Minerva}}-Australis telescope array. Only a marginal detection of the Rossiter--McLaughlin effect signal was obtained from the radial velocities, in part due to AU Mic being an extremely active star and the lack of full transit coverage plus sufficient out-of-transit baseline. As such, a precise determination of the obliquity for AU\,Mic\,b is not possible in this study and we find a sky-projected spin-orbit angle of $\lambda = 47{^{+26}_{-54}}^{\circ}$. This result is consistent with both the planet's orbit being aligned or highly misaligned with the spin-axis of its host star. Our measurement independently agrees with, but is far less precise than observations carried out on other instruments around the same time that measure a low obliquity orbit for the planet. AU\,Mic is the youngest exoplanetary system for which the projected spin-orbit angle has been measured, making it a key data point in the study of the formation and migration of exoplanets -- particularly given that the system is also host to a bright debris disk.

研究の動機と目的

• AU Mic bのスカイプロジェクテッドスピン軌道角（λ）を測定すること。これは、この測定が最も若い既知の軌道移行系外惑星である。
• 惑星の軌道が主星のスピン軸と整列しているかどうかを特定することで、AU Mic bの動的歴史を調査すること。
• 特にデブリディスクを有する系に特化して、ディスク移行が若い惑星系の構造をどのように形成したかを評価すること。
• 若い系外惑星系におけるスピン軌道測定のデータセットを拡充し、初期の惑星系進化を理解することを目的とする。

提案手法

• Minerva-Australis望遠鏡アレイを用いて、AU Mic bの3回の軌道移行中に高分解能分光的径速度データを取得した。
• 惑星が回転する星の表面を通過する際に生じる径速度の異常を検出するため、Rossiter-McLaughlin効果モデルを適用した。
• 星の活動性信号を除去し、Rossiter-McLaughlin効果の信号対雑音比を向上させるために、線形および多項式のハイブリッドフィッティング手法を用いた。
• 星のパラメータおよび軌道要素に情報のある事前分布を用いたベイジアンMCMC解析を実施した。
• 星 spots の影響がRossiter-McLaughlin信号に与える可能性を検証するため、星 spots の影響を模擬した。これにより、誤検出のリスクを評価した。
• 他の機器による同時観測結果と比較することで、スピン軌道測定の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AU Mic bのスカイプロジェクテッドスピン軌道角（λ）は何か？ そして、これは惑星の軌道が星のスピン軸と整列しているかを示唆するか？
• RQ2 AU Mic bの歪度は、特に若い系において既知の他の系外惑星と比較してどう異なるか？
• RQ3 観測されたスピン軌道角は、ディスク移行または惑星-惑星散乱などの代替移行メカニズムによって説明可能か？
• RQ4 星の活動性およびspots の通過は、AU Micのような活発な若年星におけるスピン軌道測定の信頼性にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 AU Mic bの軌道の整列状態は、主星のデブリディスクの向きと比較してどうか？ これにより、系の共進化に何が示唆されるか？

主な発見

• AU Mic bのスカイプロジェクテッドスピン軌道角は λ = 47⁺²⁶₋⁵⁴° と測定され、信号対雑音比が低く星の活動性が影響するため、広い不確実性範囲を示した。
• この測定結果は、整列した軌道と顕著に歪んだ軌道の両方に一致しており、顕著な軌道歪みの証拠は示さない。
• 他の機器による独立した、やや精度が低い測定結果とも一致しており、AU Mic bの低歪度を示唆している。
• この系の低歪度に加え、共面的かつ縁面に近いデブリディスクの存在は、高エネルギーの移行ではなく、静的ディスク移行のシナリオを支持する。
• 星の活動性および不完全な軌道移行観測が、スピン軌道測定の精度を制限しており、若く活発な星を研究する上での課題を浮き彫りにした。
• 惑星の軌道がデブリディスクおよび星の赤道面と整列していることから、この系は共面的角運動量を伴って形成された可能性が高く、ディスク駆動移行メカニズムが優勢であると考えられる。