[論文レビュー] Planet-star interactions with precise transit timing. I. The refined orbital decay rate for WASP-12 b and initial constraints for HAT-P-23 b, KELT-1 b, KELT-16 b, WASP-33 b, and WASP-103 b

G. Maciejewski, M. Fernández+12 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、高精度な transit 時刻測定を用いて WASP-12 b の軌道減衰率を精緻化し、$ Q^{\text{'}*} = (1.82 \pm 0.32) \times 10^5 $ を得た。これは、準巨星星における理論的予測と整合的である。一方、HAT-P-23 b、KELT-1 b、KELT-16 b、WASP-33 b、WASP-103 b の他の5つのホット・ジュピターでは、有意な軌道減衰は検出されず、星の潮汐品質パラメータの下限が得られ、主系列星のホスト星では WASP-12 の準巨星星に比べて弱い潮汐散逸が示唆された。

ABSTRACT

Theoretical calculations and some indirect observations show that massive exoplanets on tight orbits must decay due to tidal dissipation within their host stars. This orbital evolution could be observationally accessible through precise transit timing over a course of decades. The rate of planetary in-spiralling may not only help us to understand some aspects of evolution of planetary systems, but also can be used as a probe of the stellar internal structure. In this paper we present results of transit timing campaigns organised for a carefully selected sample of hot Jupiter-like planets which were found to be the best candidates for detecting planet-star tidal interactions on the Northern hemisphere. Among them, there is the WASP-12 system which is the best candidate for possessing an in-falling giant exoplanet. Our new observations support the scenario of orbital decay of WASP-12 b and allow us to refine its rate. The derived tidal quality parameter of the host star Q'_{*} = (1.82 +/- 0.32) x 10^5 is in agreement with theoretical predictions for subgiant stars. For the remaining systems - HAT-P-23, KELT-1, KELT-16, WASP-33, and WASP-103 - our transit timing data reveal no deviations from the constant-period models, hence constraints on the individual rates of orbital decay were placed. The tidal quality parameters of host stars in at least 4 systems - HAT-P-23, KELT-1, WASP-33, and WASP-103 - were found to be greater than the value reported for WASP-12. This is in line with the finding that those hosts are main sequence stars, for which efficiency of tidal dissipation is predicted to be relatively weak.

研究の動機と目的

• 高精度な transit 時刻測定を用いて、WASP-12 b の軌道減衰率を測定し、潮汐相互作用モデルを検証すること。
• HAT-P-23 b、KELT-1 b、KELT-16 b、WASP-33 b、WASP-103 b の他の5つのホット・ジュピター系において、定常な軌道周期からのずれを探索することで、潮汐散逸を制約すること。
• 星の潮汐品質パラメータ $ Q^{ ext{'}*} $ を評価し、星内部構造と散逸効率を探査すること。
• KELT-1 のような系の力学的状態を評価し、潮汐ロックが角運動量移動を抑制する可能性を検討すること。
• 対流コアと放射層を持つ星（例：WASP-33）が、準巨星ホスト星と比較して弱い潮汐散逸を示すかどうかを検討すること。

提案手法

• シエラ・ネバダ天文台の1.5m望遠鏡およびリバプール望遠鏡を含む、多数の地上望遠鏡を用いて長期にわたる transit 時刻観測を実施した。
• グラン・テレスコピオ・カナリアスおよびヨーロッパ大学天文台・イーン天文台からの光度データを収集し、中間転位時刻の測定精度を1分未満に高めた。
• 線形および2次式の予想時刻モデルを用いて、定常な軌道周期からのずれを検出するため、transit 時刻変動（TTV）解析を適用した。
• 潮汐散逸効率を定量化するため、$ Q^{ ext{'}*} = \frac{3}{2} \frac{Q_*}{k_2} $ を用い、ここで $ Q_* $ は潮汐遅れ角の逆数、$ k_2 $ は2次Love数である。
• 異なる内部構造（例：準巨星対主系列星）を有する星における潮汐散逸の理論的モデルを組み込み、観測された制約を解釈した。
• WASP-33 のようなA型星における放射層内の動的潮汐減衰と平衡潮汐理論の予測と、観測されたTTV傾向を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WASP-12 b の軌道減衰率は、準巨星星における潮汐散逸に基づく理論的予測と整合的か？
• RQ2 HAT-P-23 b、KELT-1 b、KELT-16 b、WASP-33 b、WASP-103 b の transit 時刻変動に、進行中の軌道減衰の兆候があるか？
• RQ3 これらの5つの系のホスト星の潮汐品質パラメータ $ Q^{ ext{'}*} $ の下限は何か？ そして、WASP-12 b の値と比較するとどうなるか？
• RQ4 星の進化段階（例：主系列対準巨星）は、ホット・ジュピター系における潮汐散逸効率にどのように影響するか？
• RQ5 星と惑星が両方とも潮汐ロックしている可能性のあるKELT-1の力学的状態は、検出可能な軌道減衰の欠如を説明できるか？

主な発見

• WASP-12 b の精緻化された軌道減衰率から、$ Q^{ ext{'}*} = (1.82 \pm 0.32) \times 10^5 $ を得た。これは、準巨星星における理論的期待値と整合的である。
• HAT-P-23 b、KELT-1 b、KELT-16 b、WASP-33 b、WASP-103 b では、有意な transit 時刻変動は検出されず、観測期間中に測定可能な軌道減衰はなかった。
• HAT-P-23、KELT-1、WASP-33、WASP-103 のホスト星の潮汐品質パラメータは、WASP-12 よりも大きいことが制約された。これは、主系列星では弱い潮汐散逸が生じていることを示唆する。
• KELT-16 b については、3年間の観測ベースラインが短すぎて $ Q^{ ext{'}*} $ の制約が意味を持たないが、減衰の兆候も認められなかった。
• WASP-33 および WASP-103 のホスト星は、両方とも対流コアと放射層を持つA型星であり、理論的に潮汐散逸効率が低いと予測されている。これは、観測されたTTVの欠如と整合的である。
• 分光的証拠により、WASP-33 および WASP-103 が主系列星であることが確認された。これは、準巨星ホスト星（例：WASP-12）に比べて、潮汐散逸効率が低いという理論的期待と一致する。