[論文レビュー] Planet-star interactions with precise transit timing. II. The radial-velocity tides and a tighter constraint on the orbital decay rate in the WASP-18 system

G. Maciejewski, Heather A. Knutson+5 more|Conicet|Apr 14, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、質量の大きなホットジュピター WASP-18b とその中心星との間の潮汐相互作用を調査するため、WASP-18系の径速度（RV）変動および28年間の transit 時刻データを分析した。等方的潮汐理論と整合する径速度潮汐信号を検出するとともに、星の修正潮汐品質因子の制約をより厳密にし、95%信頼区間で $Q^{\text{'}}_{\star} > 3.9 \times 10^6$ を得た。これは、以前の仮定よりも潮汐散逸が弱いことを示している。

ABSTRACT

From its discovery, the WASP-18 system with its massive transiting planet on a tight orbit was identified as a unique laboratory for studies on tidal planet-star interactions. In an analysis of Doppler data, which include five new measurements obtained with the HIRES/Keck-I instrument between 2012 and 2018, we show that the radial velocity signal of the photosphere following the planetary tidal potential can be distilled for the host star. Its amplitude is in agreement with both theoretical predictions of the equilibrium tide approximation and an ellipsoidal modulation observed in an orbital phase curve. Assuming a circular orbit, we refine system parameters using photometric time series from TESS. With a new ground-based photometric observation, we extend the span of transit timing observations to 28 years in order to probe the rate of the orbital period shortening. Since we found no departure from a constant-period model, we conclude that the modified tidal quality parameter of the host star must be greater than 3.9x10^6 with 95% confidence. This result is in line with conclusions drawn from studies of the population of hot Jupiters, predicting that the efficiency of tidal dissipation is 1 or 2 orders of magnitude weaker. As the WASP-18 system is one of the prime candidates for detection of orbital decay, further timing observations are expected to push the boundaries of our knowledge on stellar interiors.

研究の動機と目的

• WASP-18A の中心星に作用する惑星の潮汐ポテンシャルによって引き起こされる径速度潮汐信号を検出し、特徴を付けること。
• TESS の光度計測データと新しい地上観測の軌道通過データを用いて、軌道およびシステムパラメータを精緻化すること。
• 長期間にわたる軌道通過時刻変動の分析を通じて、WASP-18A の修正潮汐品質因子 $Q^{\prime}_\star$ を制約すること。
• この系が、潮汐散逸による軌道崩壊が検出可能かどうかを、インスパイラル予想のホットジュピターとしての優れた候補であるという点から検証すること。

提案手法

• 2012年から2018年の間に、HIRES/Keck-I分光計を用いて5件の新しい高精度径速度測定値を取得し、過去のすべてのHIRESデータを一貫性のある形で再処理した。
• RVデータをTESSおよび地上観測の光度曲線と統合し、軌道および星のパラメータを精緻化した。
• 28年間のベースラインにわたる一貫性のある軌道通過時刻解析を実施し、線形エフェメリスからの逸脱（軌道崩壊の兆候）を検出した。
• 等方的潮汐近似を用いて径速度潮汐信号をモデル化し、観測されたRV変動と比較した。
• ベイズ解析を用いて、観測された軌道通過時刻の残差を理論的予測と比較することで、$Q^{\prime}_\star$ を制約した。
• RV測定値をCORALIEおよびPlanet Finder Spectrographから追加で取り込み、データカバレッジと精度を向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 惑星の潮汐ポテンシャルによって引き起こされる径速度潮汐信号は、WASP-18AのRVデータから分離され、測定可能であるか？
• RQ2 28年間の軌道通過時刻観測から、WASP-18系における軌道崩壊の証拠は見られるか？
• RQ3 測定された潮汐RV信号の振幅は、等方的潮汐モデルに基づく理論的予測とどのように一致するか？
• RQ4 現在の時刻データに基づいて、WASP-18A の修正潮汐品質因子 $Q^{\prime}_\star$ の最も厳しい下限は何か？
• RQ5 観測データは、WASP-18A における潮汐散逸が標準的な $Q^{\prime}_\star = 10^6$ 値よりも弱いという仮説を支持しているか？

主な発見

• 惑星の潮汐ポテンシャルによって引き起こされるWASP-18Aの径速度信号は、成功裏に分離され、その振幅は等方的潮汐モデルの理論的予測と整合的であることが確認された。
• 観測された潮汐RV信号の振幅は、TESSの軌道位相曲線で観測された200 ppmの楕円形モードと一致しており、光度的および分光的潮汐シグナルの整合性が裏付けられた。
• 28年間の軌道通過時刻ベースラインにおいて、線形エフェメリスからの顕著な逸脱は検出されず、この期間中に測定可能な軌道崩壊はなかった。
• WASP-18A の修正潮汐品質因子は、95%信頼区間で $Q^{\prime}_\star > 3.9 \times 10^6$ に制約された。これは、より低い値が除外されたことを意味する。
• この制約は、最近のホットジュピターの集団的研究と整合的であり、潮汐散逸が標準値 $10^6$ よりも1〜2桁弱いことが示唆されている。
• この系は、今後さらに $Q^{\prime}_\star$ の制約を厳しくする可能性を秘めた、軌道崩壊の検出に最適な候補のままである。