[論文レビュー] Star-planet interactions. IV. Possibility of detecting the orbit-shrinking of a planet around a red giant

G. Meynet, P. Eggenberger+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 24被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、赤色超巨星の周りを公転する惑星における潮汐相互作用に起因する軌道減衰の検出可能性を、星の進化モデルと軌道力学を組み合わせて調査する。最終3,000年間に、反射速度の変化は1年あたり1 m/sを超えることが判明し、5年間の観測期間でトランジット時系列のずれは約1時間に達する。これは、潮汐物理学を進化した星で直接探る上で最も有望な観測手法であることを示している。

ABSTRACT

The surface rotations of some red giants are so fast that they must have been spun up by tidal interaction with a close companion, either another star, a brown dwarf, or a planet. We focus here on the case of red giants that are spun up by tidal interaction with a planet. When the distance between the planet and the star decreases, the spin period of the star decreases, the orbital period of the planet decreases, and the reflex motion of the star increases. We study the change rate of these three quantities when the circular orbit of a planet of 15 M$_{J}$ that initially orbits a 2 M$_\odot$ star at 1 au shrinks under the action of tidal forces during the red giant phase. We use stellar evolution models coupled with computations of the orbital evolution of the planet, which allows us to follow the exchanges of angular momentum between the star and the orbit in a consistent way. We obtain that the reflex motion of the red giant star increases by more than 1 m s$^{-1}$ per year in the last $\sim$40 years before the planet engulfment. During this phase, the reflex motion of the star is between 660 and 710 m s$^{-1}$. The spin period of the star increases by more than about 10 minutes per year in the last 3000 y before engulfment. During this period, the spin period of the star is shorter than 0.7 year. During this same period, the variation in orbital period, which is shorter than 0.18 year, is on the same order of magnitude. Changes in reflex-motion and spin velocities are very small and thus most likely out of reach of being observed. The most promising way of detecting this effect is through observations of transiting planets, that is, through{\it } changes of the beginning or end of the transit. A space mission like PLATO might be of great interest for detecting planets that are on the verge of being engulfed by red giants.

研究の動機と目的

• 赤色超巨星の周りを回る惑星における潮汐相互作用に起因する軌道収縮の検出可能性を評価すること。
• 惑星が星に飲み込まれる直前の最終段階において、反射速度、星の自転周期、軌道周期の変化を定量すること。
• 特にトランジットを示す系において、リアルタイムで潮汐進化を明らかにする観測的兆候を特定すること。
• 現在および将来のミッション（例：PLATO）でこれらの効果を検出可能かどうかを評価すること。
• 急速に回転する赤色超巨星と近接した惑星を有する候補系をモニタリングするための観測的基準を提示すること。

提案手法

• 星と惑星間の角運動量の交換を一貫して追跡できるように、星の進化モデルと軌道進化計算を結合する。
• 2 M_⊙ の星を周回する15 M_J の惑星を想定し、赤色超巨星段階を経て進化させる。
• 時間経過に伴う半長径、反射速度、星の自転周期、軌道周期の変化を追跡する。
• 数値的軌道進化の結果を検証するために、解析解（式3）を用いる。
• R_*/a を用いてトランジット確率を評価し、トランジット時系列ずれの検出可能性を評価する。
• 観測的基準を特定：log g < 2、v_rot > 3–4 km/s、惑星は0.4–1 au以内、トランジット幾何学的配置。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤色超巨星の周囲を回る惑星の軌道減衰が、反射速度またはトランジット時系列のずれに観測可能な変化をもたらすか？
• RQ2 飲み込まれる直前の最終3,000年間に、反射速度、星の自転周期、軌道周期に予想される変化の大きさはどの程度か？
• RQ3 反射運動、自転周期、またはトランジット時系列のうち、どの観測的兆候が検出に最も有望か？
• RQ4 現在、軌道収縮段階にあり得る候補系を特定するための選別基準は何か？
• RQ5 将来の宇宙ミッション（例：PLATO）は、これらの系の検出と特徴付けにどのように貢献できるか？

主な発見

• 飲み込まれる直前の約40年間に、赤色超巨星の反射速度は1年あたり1 m/s以上増加し、660～710 m/sに達する。
• 飲み込まれる直前の3,000年間に、星の自転周期は1年あたり10分以上短くなり、0.7年未満に低下する。
• 軌道周期の変化は約0.18年であり、自転周期の変化と同程度の大きさである。
• トランジット時系列のずれは、最終3,000年間の5年間の観測期間で約1時間以上に達すると予想され、トランジット系が最も有望な検出ターゲットである。
• 既知の惑星を有する100個の赤色超巨星のうち、約30個が軌道収縮段階にあり、18.7%のトランジット確率から、約5～6個がトランジットを示すと予想される。
• 0.21 auに5.4 M_J の惑星を有するTYC 3667-1289bは、14%のトランジット確率を有するが、低回転速度であるため、継続的なモニタリングの強力な候補である。