[論文レビュー] Spin-orbit angle measurements for six southern transiting planets; New insights into the dynamical origins of hot Jupiters

A. H. M. J. Triaud, A. Collier Cameron+15 more|Research Portal (Queen's University Belfast)|Aug 13, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 90被引用数 273

ひとこと要約

本研究では、ESA 3.6 m望遠鏡およびLa Silla観測所の1.2 m Euler望遠鏡に搭載されたHARPSおよびCORALIE分光計を用いて、6つの南天のトランジット惑星系のスピン-軌道角をロセター＝マクラウリン効果により測定した。その結果、50%のホット・ジュピターが30°を超えるスピン-軌道角を示しており、標準的な円盤移動とは対照的に、動的起源（例えば、コーザイ機構）を強く支持するものである。

ABSTRACT

For transiting planets, the Rossiter-McLaughlin effect allows the measurement of the sky-projected angle beta between the stellar rotation axis and a planet's orbital axis. Using the HARPS spectrograph, we observed the Rossiter-McLaughlin effect for six transiting hot Jupiters found by the WASP consortium. We combine these with long term radial velocity measurements obtained with CORALIE. We found that three of our targets have a projected spin-orbit angle above 90 degrees: WASP-2b: beta = 153 (+11 -15), WASP-15b: beta = 139.6 (+5.2 -4.3) and WASP-17b: beta = 148.5 (+5.1 -4.2); the other three (WASP-4b, WASP-5b and WASP-18b) have angles compatible with 0 degrees. There is no dependence between the misaligned angle and planet mass nor with any other planetary parameter. All orbits are close to circular, with only one firm detection of eccentricity on WASP-18b with e = 0.00848 (+0.00085 -0.00095). No long term radial acceleration was detected for any of the targets. Combining all previous 20 measurements of beta and our six, we attempt to statistically determine the distribution of the real spin-orbit angle psi and find that between about 45 and 85 % of hot Jupiters have psi > 30 degrees. Observations and predictions using the Kozai mechanism match well. If these observational facts are confirmed in the future, we may then conclude that most hot Jupiters are formed from a dynamical and tidal origin without the necessity to use type I or II migration. At present, standard disc migration cannot explain the observations without invoking at least another additional process.

研究の動機と目的

• 高分解能分光計を用いて、6つのトランジットするホット・ジュピターのスカイプロジェクションされたスピン-軌道角βを測定すること。
• スピン-軌道非整列度と惑星の質量、離心率、半長径といったパラメータとの相関を評価すること。
• システム内に追加の同伴が存在する可能性を示唆する長期的ラジアル速度変動を検出すること。
• 光度曲線とラジアル速度のMCMC結合解析を用いて、観測されたβ値から真のスピン-軌道角ψを統計的に推定すること。
• 観測されたスピン-軌道分布が、コーザイ機構や円盤移動といった理論的モデルと整合しているかを評価すること

提案手法

• 欧州南天天文台（ESO）3.6 m望遠鏡に搭載されたHARPS分光計およびLa Silla観測所の1.2 m Euler望遠鏡に搭載されたCORALIE分光計を用いて、ロセター＝マクラウリン効果を観測した。
• トランジット光度曲線とラジアル速度データを、マルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）法を用いて同時にフィットし、βとその不確実性を導出した。
• 投影効果を考慮するために、観測されたβ値を統計的モデリングにより真のスピン-軌道角ψの分布に変換した。
• 新たに得られた6つの測定値を、20件の先行測定値と組み合わせ、全26個のホット・ジュピターのψの累積分布を作成した。
• 観測されたψ分布が、コーザイ機構および潮汐円形化モデルによる予測と整合しているかを評価した。
• システム内に追加の質量を持つ天体が存在するかを示唆する長期的ラジアル速度傾向を探索した。

Figure 1: Fit results for WASP-2b. a) Overall Doppler shift reflex motion of the star due to the planet and residuals. b) Zoom on the Rossiter-McLaughlin effect and residuals. Black inverted triangles are SOPHIE data, black triangles represent CORALIE points, red dots show the HARPS data. The best f

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ホット・ジュピターの軌道軸とその主星のスピン軸との間の整列度はどの程度か？
• RQ2 スピン-軌道非整列度と惑星の質量、離心率、または半長径との間に相関があるか？
• RQ3 観測されたスピン-軌道角は、コーザイ機構か円盤移動のどちらがホット・ジュピター形成の主な経路であるかを支持するか？
• RQ4 システム内に追加の同伴が存在する可能性を示唆する長期的ラジアル速度変動は存在するか？
• RQ5 真のスピン-軌道角が30°を超えるホット・ジュピターの割合はどれくらいであり、理論的予測と比較するとどうなるか？

主な発見

• WASP-2b、WASP-15b、WASP-17b の3つの惑星は、それぞれβ = 153°⁺¹¹₋₁₅、139.6°⁺⁵.²₋₄.₃、148.5°⁺⁵.¹₋₄.₂の顕著なスピン-軌道非整列を示しており、逆行運動を示している。
• 残りの3つの惑星、WASP-4b、WASP-5b、WASP-18b は、β ≈ 0°の整列に一致しており、WASP-18b はわずかだが明確な離心率 e = 0.00848⁺⁰.⁰⁰⁰⁸⁵₋₀.⁰⁰⁰⁹⁵ を示している。
• 長期的ラジアル速度加速は検出されず、システム内に顕著な追加の質量を持つ同伴は存在しないと示唆された。
• 20件の先行測定値と組み合わせた結果、累積分布から、ホット・ジュピターの45%から85%が真のスピン-軌道角ψ > 30°であることが判明し、広範な非整列が確認された。
• 観測されたスピン-軌道分布は、コーザイ機構に続く潮汐円形化に基づく理論モデルと整合しており、大多数のホット・ジュピターが動的起源である可能性を示唆している。
• 標準的な円盤移動モデルだけでは、観測された非整列を説明するには、追加の動的過程の導入が不可欠である。

Figure 2: Fit results for WASP-4b. Nota Bene : Legend similar to the legend in Fig. 1 .