[論文レビュー] Kepler-91b: a planet at the end of its life. Planet and giant host star properties via light-curve variations

J. Lillo-Box, D. Barrado+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2013

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 95被引用数 76

ひとこと要約

本研究では、Kepler-91b がK3巨星の周りを近接で非円形軌道を描いて回り、非常に強い放射を受けている巨大ガス惑星であることが確認された。強い証拠から、この惑星は今後5500万年以内に母星に飲み込まれると予想される。Keplerの光度測定、星震学、高分解能分光法を用いて、惑星の半径（1.384 R_Jup）、質量（0.88 M_Jup）、および軌道パラメータが決定され、これは巨大星に最も近い既知の惑星であり、母星の視直径は惑星の表面から空の36％以上を占める。

ABSTRACT

The evolution of planetary systems is intimately linked to the evolution of their host star. Our understanding of the whole planetary evolution process is based on the large planet diversity observed so far. To date, only few tens of planets have been discovered orbiting stars ascending the Red Giant Branch. Although several theories have been proposed, the question of how planets die remains open due to the small number statistics. In this work we study the giant star Kepler-91 (KOI-2133) in order to determine the nature of a transiting companion. This system was detected by the Kepler Space Telescope. However, its planetary confirmation is needed. We confirm the planetary nature of the object transiting the star Kepler-91 by deriving a mass of $ M_p=0.88^{+0.17}_{-0.33} ~M_{ m Jup}$ and a planetary radius of $R_p=1.384^{+0.011}_{-0.054} ~R_{ m Jup}$. Asteroseismic analysis produces a stellar radius of $R_{\star}=6.30\pm 0.16 ~R_{\odot}$ and a mass of $M_{\star}=1.31\pm 0.10 ~ M_{\odot} $. We find that its eccentric orbit ($e=0.066^{+0.013}_{-0.017}$) is just $1.32^{+0.07}_{-0.22} ~ R_{\star}$ away from the stellar atmosphere at the pericenter. Kepler-91b could be the previous stage of the planet engulfment, recently detected for BD+48 740. Our estimations show that Kepler-91b will be swallowed by its host star in less than 55 Myr. Among the confirmed planets around giant stars, this is the planetary-mass body closest to its host star. At pericenter passage, the star subtends an angle of $48^{\circ}$, covering around 10% of the sky as seen from the planet. The planetary atmosphere seems to be inflated probably due to the high stellar irradiation.

研究の動機と目的

• Keplerの光曲線に周期的な微小な減光を示す、K3巨星を公転する軌道上の中間天体であるKepler-91bの惑星性を確認すること。
• 星震動解析と高分解能分光法を用いて、Keplerの大きなピクセル解像度に起因する不確実性を解消し、星および惑星の正確なパラメータを決定すること。
• この系の動的安定性と進化の運命を評価し、特に惑星が母星に飲み込まれる直前かどうかを検討すること。
• 特に近軌道にある惑星を含む、準主系列後星の周囲に既知の惑星を拡大し、惑星系進化および惑星の飲み込みに関する理論的モデルを検証すること。

提案手法

• Kepler宇宙望遠鏡の光度測定データを分析し、軌道通過のパラメータを再計算し、反射光、楕円歪み効果、ドップラー・ビーミングに起因する光曲線の変調を検出する。
• Keplerの光曲線に含まれる星震動を星震動解析により用い、星の正確な質量（1.31 ± 0.10 M☉）と半径（6.30 ± 0.16 R☉）を導出する。
• Calar Alto Fiber-fed Échelle Spectrograph（CAFE）を用いた高分解能分光法により、星の径方向速度と金属量を測定する。
• AstraLuxラッキーイメージングカメラを用いた高空間分解能画像撮影により、背景の食連星などの偽陽性状況を除外する。
• 軌道通過時刻と光曲線変調を用いた軌道フィッティングにより、惑星の公軌道距離（a/R⋆ = 2.45）と離心率（e = 0.066）を導出する。
• 星の進化と軌道減衰に基づき、理論的モデルと比較して惑星の飲み込みまでの時間を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軌道通過を示す天体Kepler-91bは、星の伴星によって引き起こされる偽陽性現象か、それとも惑星であるか？
• RQ2 Kepler-91bの正確な質量と半径は何か？ そして、放射を受け続けるガス惑星の理論的期待値と比較するとどうなるか？
• RQ3 Kepler-91bの軌道的配置は何か？ そして、母星に非常に近接していることから、直近で飲み込まれる兆候があるか？
• RQ4 この系の進化の運命は何か？ また、BD+48 740 や HIP 13044 といった既知の他の系と比較するとどうなるか？
• RQ5 巨大星に極めて近接しているにもかかわらず、Kepler-91bが非ゼロの離心率を持つのはなぜか？

主な発見

• Kepler-91bの惑星性は、質量 0.88⁺⁰.¹⁷₋₀.³³ M_Jup、半径 1.384⁺⁰.⁰¹¹₋₀.⁰⁵⁴ R_Jup として確認された。
• 母星の質量は 1.31 ± 0.10 M☉、半径は 6.30 ± 0.16 R☉ であり、赤色巨星ブランチに位置するK3巨星と整合的である。
• 惑星は星から 2.45⁺⁰.¹⁵₋₀.³³ R⋆ の距離を公転しており、離心率は 0.066⁺⁰.⁰¹³₋₀.⁰¹⁷ である。近点では星の表面からわずか 1.32⁺⁰.⁰⁷₋₀.²² R⋆ の距離に位置する。
• 星の外層が惑星の近点に達するのは5500万年以内であると予想され、Kepler-91bが飲み込まれる直前にあることが示された。
• 惑星の表面から見ると、星の視直径は48°に達し、空の36％以上を占め、大気の約70％を照らしている。
• 惑星の低平均密度（0.33⁺⁰.¹⁰₋₀.⁰⁵ ρ_Jup）は、強い星からの放射によって大気が膨張していることによるものとされる。