[論文レビュー] Characterization of the K2-18 multi-planetary system with HARPS: A habitable zone super-Earth and discovery of a second, warm super-Earth on a non-coplanar orbit

Ryan Cloutier, N. Astudillo-Defru+17 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 64被引用数 30

ひとこと要約

本研究では、M2.5型の白色矮星の周りを公転する生命的可能性のある領域に位置するスーパーエアス・K2-18bの最初の正確な質量測定値を、HARPS分光計の径速度データを用いて行った。また、非転写型の温かいスーパーエアス（K2-18c）の発見も報告した。動的安定性解析により、両惑星の離心率は99%信頼水準で0.43および0.47未満に制約された。

ABSTRACT

The bright M dwarf K2-18 at 34 pc is known to host a transiting super-Earth-sized planet orbiting within the star's habitable zone; K2-18b. Given the superlative nature of this system for studying an exoplanetary atmosphere receiving similar levels of insolation as the Earth, we aim to characterize the planet's mass which is required to interpret atmospheric properties and infer the planet's bulk composition. We obtain precision radial velocity measurements with the HARPS spectrograph and couple those measurements with the K2 photometry to jointly model the observed radial velocity variation with planetary signals and a radial velocity jitter model based on Gaussian process regression. We measure the mass of K2-18b to be $8.0 \pm 1.9$ M$_{\oplus}$ with a bulk density of $3.7 \pm 0.9$ g/cm$^3$ which may correspond to a predominantly rocky planet with a significant gaseous envelope or an ocean planet with a water mass fraction $\gtrsim 50$%. We also find strong evidence for a second, warm super-Earth K2-18c at $\sim 9$ days with a semi-major axis 2.4 times smaller than the transiting K2-18b. After re-analyzing the available light curves of K2-18 we conclude that K2-18c is not detected in transit and therefore likely has an orbit that is non-coplanar with K2-18b. A suite of dynamical integrations with varying simulated orbital eccentricities of the two planets are used to further constrain each planet's eccentricity posterior from which we measure $e_b < 0.43$ and $e_c < 0.47$ at 99% confidence. The discovery of the inner planet K2-18c further emphasizes the prevalence of multi-planet systems around M dwarfs. The characterization of the density of K2-18b reveals that the planet likely has a thick gaseous envelope which along with its proximity to the Solar system makes the K2-18 planetary system an interesting target for the atmospheric study of an exoplanet receiving Earth-like insolation.

研究の動機と目的

• M型の白色矮星の生命の可能性のある領域に位置するトランジット型スーパーエアスK2-18bの正確な質量を測定し、その全体構造と大気の可能性を推定する。
• 特に2つの惑星の軌道傾きと同一面内性を含むK2-18系の動的構造を調査する。
• 数値統合を用いて系の動的安定性を評価し、軌道離心率を制約する。
• JWSTによる大気の特徴付けの可能性を鑑み、近接性と主星の明るさを考慮して、系の適性を評価する。
• K2光度曲線の再分析に基づき、第二の惑星K2-18cが転位で検出可能かどうかを特定する。

提案手法

• ESO 3.6m望遠鏡に搭載されたHARPS分光計を用いて、高精度の径速度測定値を取得した。
• HARPSの径速度データとK2の光度曲線を統合し、ガウス過程回帰を用いて惑星信号と星の活動を同時にモデル化した。
• 星の活動に起因する径速度変動を補正するため、ガウス過程に基づくジャイターモデルを適用した。
• 2惑星系の動的統合を実施し、長期的な安定性を検証し、離心率の制約を導出した。
• 安定性の制約を事前分布として用い、両惑星の軌道離心率の事後分布を精緻化した。
• K2の光度曲線を再分析し、K2-18cの転位信号の有無を検証したが、検出されなかった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 K2-18bの正確な質量は何か？ それは内部構造と大気組成にどのような意味を持つのか？
• RQ2 K2-18系に第二の惑星の証拠はあるか？ その軌道パラメータは何か？
• RQ3 第二の惑星K2-18cの軌道はK2-18bの軌道と同一面内にあるのか？ これは系の形成にどのような意味を持つのか？
• RQ4 K2-18系は長期的に安定しているか？ 両惑星の離心率にどのような制約を課せられるか？
• RQ5 K2-18cは転位で検出可能か？ その非検出は軌道の傾きにどのような意味を持つのか？

主な発見

• K2-18bの質量は8.0 ± 1.9 M⊕と測定され、体積密度は3.7 ± 0.9 g/cm³であった。これは、大きなガス大気を有する岩石惑星、または水質量分率が50%以上であるオーシャン惑星の可能性を示している。
• K2-18bの内側を公転する、最小質量7.5 ± 1.3 M⊕、公軌道周期約9日である第二のスーパーエアスK2-18cが発見された。
• K2-18cは転位で検出されなかったため、K2-18bの軌道と非同一面内にあるとされ、相互の軌道傾きは10°以上である可能性が高い。
• 動的安定性のシミュレーションにより、99%信頼水準でK2-18bの離心率はe_b < 0.43、K2-18cの離心率はe_c < 0.47に制約された。
• 系は長期的に安定しており、M型の白色矮星の周囲に近接した軌道で質量の大きな2つの惑星が共存できることを支持している。
• K2-18は、トランジット型の生命の可能性のある領域に位置するM型の白色矮星で、第二に明るい星であり、JWSTによる大気の特徴付けのための主要な標的である。