[論文レビュー] SOPHIE velocimetry of Kepler transit candidates: X KOI-142c: first radial velocity confirmation of a non-transiting exoplanet discovered by transit timing

S. C. C. Barros, R. F. Díaz+10 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2013

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 41被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、ケプラー88系における軌道周期のずれ（TTVs）を介して発見された非透過型系外惑星KOI-142cの初回の径速度確認を報告する。オペラトワール・ド・オー・トゥール・ド・オランジュのSOPHIE分光計を用いて、公転周期22.10 ± 0.25日、最小質量0.76⁺⁰.³²₋₀.¹⁶ M_Jupの惑星的同伴を確認した。これは、事前のTTVに基づく予測と極めてよく一致しており、多惑星系における系外惑星発見のTTV法の妥当性を裏付けた。

ABSTRACT

The exoplanet KOI-142b (Kepler-88b) shows transit timing variations (TTVs) with a semi-amplitude of $\sim 12\,$ hours, earning the nickname of "king of transit variations". Only the transit of the planet b was detected in the Kepler data with an orbital period of $\sim 10.92\,$ days and a radius of $\sim 0.36$ R$_{\mathrm{Jup}}$. The TTVs together with the transit duration variations (TDVs) of KOI-142b were analysed by Nesvorny et al. (2013) who found a unique solution for a companion perturbing planet. The authors predicted an outer non-transiting companion, KOI-142c, with a mass of $0.626\pm 0.03$ M$_{\mathrm{Jup}}$ and a period of $22.3397^{+0.0021}_{-0.0018}\,$days, and hence close to the 2:1 mean-motion resonance with the inner transiting planet. We report independent confirmation of KOI-142c using radial velocity observations with the SOPHIE spectrograph at the Observatoire de Haute-Provence. We derive an orbital period of $22.10 \pm 0.25\,$days and a minimum planetary mass of $0.76^{+0.32}_{0.16}\,$ M$_{\mathrm{Jup}}$, both in good agreement with the predictions by previous transit timing analysis. Therefore, this is the first radial velocity confirmation of a non-transiting planet discovered with transit timing variations, providing an independent validation of the TTVs technique.

研究の動機と目的

• KOI-142c、ケプラー88系における軌道周期のずれ（TTVs）によって予測された非透過型系外惑星の存在を独立して確認すること。
• 多惑星系における非透過型惑星の検出に向けたTTV法の信頼性と妥当性を検証すること。
• KOI-142cの軌道パラメータおよび最小質量を制約する径速度測定値を提供すること。
• KOI-142bのTTV信号が予測された同伴によって主に支配されているのか、それとも追加の見えない天体の影響を受けているのかを評価すること。
• 2:1平均運動共鳴に近い共振惑星系の力学的構造と形成歴に関する理解を深めること。

提案手法

• 2013年7月1日から2013年11月14日まで、オペラトワール・ド・オー・トゥール・ド・オランジュの1.93m望遠鏡に搭載されたSOPHIE分光計を用いて、高精度の径速度測定が行われた。
• 解像度R ≈ 40,000の高効率（HE）モードで、合計11件の径速度観測が取得された。
• 非情報的事前分布を用いたマルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）法を用いて、径速度データにケプラー軌道モデルをフィットさせた。
• 高分解能分光法および光度測定法を用いて星の有効温度、金属量、密度を導出し、ダートマス星の進化トラックへの補間を用いて主星の質量を制約した。
• ベイズ的フレームワークを用いて、周期、半振幅、最小惑星質量の不確実性を推定するための軌道解を精緻化した。
• ネスボルニーら（2013年）の動力学的モデルを基準として、予測されたパラメータと観測されたパラメータを比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 KOI-142系における軌道周期のずれ（TTVs）によって予測された非透過型系外惑星の存在を、径速度観測が独立して確認できるか？
• RQ2 KOI-142cの測定された径速度パラメータは、ネスボルニーら（2013年）のTTV予測値とどの程度一致するか？
• RQ3 KOI-142bのTTV信号は、主に予測された同伴KOI-142cによって引き起こされているのか、それとも追加の見えない惑星の影響を受けているのか？
• RQ4 径速度の結果が、KOI-142cの真の質量および軌道傾きにどのような制約を課えるか？
• RQ5 観測された系の構成—2:1共鳴のわずか外側にあり、非ゼロの離心率を持つ—は、惑星-円盤または惑星-惑星相互作用を伴う移動過程を示唆する形成モデルを支持するか？

主な発見

• 径速度データは、KOI-142cのTTV予測周期22.3397⁺⁰.⁰⁰²¹₋₀.⁰⁰¹⁸日と整合する22.10 ± 0.25日の明確な信号を示している。
• 導出された最小惑星質量は0.76⁺⁰.³²₋₀.¹⁶ M_Jupであり、TTV予測の0.626 ± 0.03 M_Jupと極めてよく一致している。
• KOI-142cの軌道傾きは86.2 ± 1.5°と推定され、系がほぼ側面から見られていることから、真の質量は最小質量に非常に近いことが示された。
• TTV予測と径速度測定値の良好な一致は、TTV法が非透過型系外惑星発見の信頼できるツールであることを裏付けた。
• RVとTTVによる質量推定値間に顕著な不一致が認められないことから、TTV信号が系内に存在する追加の見えない惑星の影響を著しく受けていないことが示唆された。
• 2:1平均運動共鳴のわずか外側にあり、非ゼロの離心率を持つ系の構成は、惑星-円盤または惑星-惑星相互作用を伴う移動過程を経て形成された形成シナリオを支持する。