[論文レビュー] Orbital Motion of HR 8799 b,c, d using Hubble Space Telescope data from 1998: Constraints on Inclination, Eccentricity and Stability

Rémi Soummer, J. Hagan+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、1998年のハッブル宇宙望遠鏡アーカイブデータを用い、HR 8799 b, c, d の軌道運動を測定し、2008年の発見画像と合わせて10年分のベースラインを提供する。惑星bについては以前の測定と一致するが、cおよびdについては新たな測定を提示し、低離心率（e_d = 0.10）かつ傾きが約28.0°の安定な1d:2c:4b平均運動共鳴を支持する。これにより、系の軌道的構造が制約され、動的安定性が裏付けられる。

ABSTRACT

HR 8799 is currently the only multiple-planet system that has been detected with direct imaging, with four giant planets orbiting at large separations from this young late A star. Orbital motion provides insight into the stability, and possible formation mechanisms of this planetary system. Dynamical studies can also provide constraints on the planets' masses, which help calibrate evolutionary models. Yet, measuring the orbital motion is a very difficult task because the long-period orbits (50-500 yr) require long time baselines and high-precision astrometry. This paper studies the three planets HR 8799b, c and d in the archival data set of HR 8799 obtained with the HST NICMOS coronagraph in 1998. The detection of all three planets is made possible by a careful optimization of the LOCI algorithm. This work confirms previous astrometry for planet b, and presents new detections and astrometry for c and d. These HST images provide a ten-year baseline with the discovery images from 2008, and therefore offer a unique opportunity to constrain their orbital motion now. Recent dynamical studies of this system show the existence of a few possible stable solutions involving mean motion resonances, where the interaction between c and d plays a major role. We study the compatibility of a few of these stable scenarios (1d:1c, 1d:2c, or 1d:2c:4d) with the new astrometric data from HST. In the hypothesis of a 1d:2c:4b mean motion resonance our best orbit fit is close to the stable solution previously identified for a three-planet system, and involves low eccentricity for planet d (ed = 0.10) and moderate inclination of the system (i = 28.0 deg), assuming a coplanar system, circular orbits for b and c, and exact resonance with integer period ratios. Under these assumptions, we can place strong constraints on the inclination of the system (27.3 - 31.4 deg) and on the eccentricity for d ed < 0.46.

研究の動機と目的

• ハッブル宇宙望遠鏡の1998年アーカイブデータを用い、HR 8799 b, c, d の軌道運動を測定し、2008年の発見画像と合わせて10年分のベースラインを提供すること。
• 観測された天体測定値が、特に惑星cとdを含む平均運動共鳴を含む安定な動的構成と整合するかを検証すること。
• 惑星bとcが共面的かつ円軌道であると仮定し、正確な整数比の周期比をとる前提で、系の傾き、離心率、軌道的構造を制約すること。
• 正確な共鳴からわずかなずれが生じた場合のこれらの制約の頑健性を評価し、データと整合する妥当な軌道解を同定すること。
• アーカイブHSTデータおよびPSFライブラリが、将来的な系外惑星研究、特にジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡ミッションにおいても価値があることを示すこと。

提案手法

• 1998年のHST NICMOSコロナグラフ画像において、惑星b, c, dの天体測定位置を検出・抽出するために、慎重に最適化されたLOCIアルゴリズムを適用した。
• 信号対雑音比を向上させ、信頼性の高い天体測定値を導出するために、多数の画像を処理し、統計的分析を実施した。
• 観測された天体測定値が、1d:1c、1d:2c、1d:2c:4bの平均運動共鳴を含む安定な動的解と整合するかを評価した。
• 惑星bとcが円軌道、系が共面的、正確な整数比の周期比をとると仮定し、星の質量と1つの惑星の周期を用いて他の惑星の軌道パラメータをフィットした。
• 結果が正確な共鳴からわずかなずれが生じた場合にどれほど頑健であるかを評価し、異なる望遠鏡からのデータ間の天体測定バイアスの可能性を検討した。
• 惑星cとdの天体測定データを補完するために、F160Wフィルタでの光度測定値を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HSTアーカイブデータによる10年分のベースラインに基づき、HR 8799 b, c, d の軌道パラメータ（傾き、離心率、周期）は何か？
• RQ2 新しい天体測定値と整合する安定な動的構成（特に平均運動共鳴）は何か？
• RQ3 惑星bとcが共面的かつ円軌道であると仮定した場合、系の傾きと離心率は制約できるか？
• RQ4 正確な整数比周期比からのわずかなずれに対して、最良のフィット軌道解はどれほど頑健か？
• RQ5 1998年のHSTデータを含めると、1d:1c共鳴のような以前に提案された安定な構成は除外されるか？

主な発見

• 1d:2c:4b平均運動共鳴の最良のフィット軌道解は、以前に同定された安定な3惑星解に非常に近く、惑星dの離心率が低く（e_d = 0.10）なっている。
• 1d:2c:4b共鳴仮説の下で、系の傾きは27.3–31.4度に制約され、最良のフィット値は28.0度である。
• 惑星dの離心率はe_d < 0.46に制約され、最良のフィット値は0.10であり、中程度の離心率であるが、高離心率ではない。
• 1d:2c:4b共鳴仮説の下で、完全に円軌道で正面から見た系の仮説は否定され、可能な傾きは28.0度の周辺に狭く制限される。
• HSTデータから見ると、1d:1c共鳴解は不確かであり、高傾きまたは円軌道で共面的かつ正面から見た構成では1d:2c共鳴は除外される。
• 結果は正確な整数比周期比からのわずかなずれに対しても頑健であり、従来の動的研究と整合しており、完全なデータセットを用いた1d:2c:4b共鳴のさらなる検討を支持する。