[論文レビュー] The barycentric motion of exoplanet host stars: tests of solar spin-orbit coupling

M. A. C. Perryman, T. Schulze-Hartung|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 45被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、太陽の活動サイクルと関連するとされる太陽系外惑星系星の重心運動が、その軌道的角運動量の変化と相関するかどうかを検証することを目的としている。公開済みの軌道要素を用いて、急速な変化や負の角運動量を示す極めて複雑なパターンを同定し、HD 168443 や HD 74156 といった重要な系を、太陽のスピン-軌道結合理論の検証に用いるための対象として特定している。

ABSTRACT

Empirical evidence suggests a tantalising but unproven link between various indicators of solar activity and the barycentric motion of the Sun. The latter is exemplified by transitions between regular and more disordered motion modulated by the motions of the giant planets, and rare periods of retrograde motion with negative orbital angular momentum. An examination of the barycentric motion of exoplanet host stars, and their stellar activity cycles, has the potential of proving or disproving the Sun's motion as an underlying factor in the complex patterns of short- and long-term solar variability indices, by establishing whether such correlations exist in other planetary systems. A variety of complex patterns of barycentric motions of exoplanet host stars is demonstrated, depending on the number, masses and orbits of the planets. Each of the behavioural types proposed to correlate with solar activity are also evident in exoplanet host stars: repetitive patterns influenced by massive multiple planets, epochs of rapid change in orbital angular momentum, and intervals of negative orbital angular momentum. The study provides the basis for independent investigations of the widely-studied but unproven suggestion that the Sun's motion is somehow linked to various indicators of solar activity. We show that, because of the nature of their barycentric motions, the host stars HD168443 and HD74156 offer particularly powerful tests of this hypothesis.

研究の動機と目的

• 太陽の重心運動が太陽活動サイクルに関連する現象であるかどうかを、太陽系外惑星系星を対象として調査すること。
• 急速な角運動量の変化や負の軌道的角運動量を含む、複雑な重心運動のパターンが太陽系外惑星系で観測されるかどうかを特定すること。
• 将来的なスピン-軌道結合の観測的検証のため、極端な重心運動を示す特定の太陽系外惑星系を同定すること。
• 非太陽系のシステムにおいて、星の活動指標と主星の重心運動を関連付けるためのフレームワークを提供すること。
• 惑星の重力的影響が星の運動に及ぼす影響が、長期的な星の変動を引き起こすという仮説を、太陽系外惑星系を独立した実験台として検証すること。

提案手法

• 40個の複数惑星系を有する太陽系外惑星系の公開済みの軌道要素を用い、その主星の重心運動を計算した。
• ニュートン力学を適用して、各主星の軌道的角運動量およびその時間変化率を解析的に決定した。
• 惑星同士の相互作用が無視できるものと仮定し、個々の惑星の反射運動の重ね合わせをモデル化することで、系の重心運動を評価した。
• 繰り返しパターン、急速な角運動量の変化、負の角運動量を示す期間といった動的挙動を同定および分類した。
• 利用可能な長期的な活動指標を用いて、これらの運動と星の活動との相関を検出できる可能性を評価した。
• HD 168443 と HD 74156 は、極端な角運動量変動と浅い対流層を示すため、優先度の高いターゲットとして選定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽系外惑星系星は、太陽で観測されたのと同様に、急速な角運動量の変化や負の軌道的角運動量を示す重心運動のパターンを示すか？
• RQ2 太陽系外惑星系星の重心運動とその長期的な星の活動サイクルとの間に、検出可能な相関関係があるか？
• RQ3 HD 168443 や HD 74156 のような特定の系における極端な重心運動ダイナミクスが、太陽のスピン-軌道結合仮説の独立的検証に役立つか？
• RQ4 質量が大きく距離の遠い惑星を有する系では、星の活動に影響を与える可能性がある測定可能な角運動量の変化が観測されるか？
• RQ5 HD 168443 における58日周期の角運動量の時間変化率の周期性は、統計的に有意であり、星の磁気周期と関連している可能性があるか？

主な発見

• 太陽系外惑星系星の重心運動は、繰り返しパターン、急速な角運動量の変化、負の軌道的角運動量を示す期間を含む、多様で複雑な動的挙動を示している。
• HD 168443 は、軌道的角運動量のz成分の時間変化率に58日周期の変動を示しており、太陽のそれよりも5桁以上も大きい。
• HD 74156 は、約3.8年間、負の軌道的角運動量を示す期間を経て、その後2.8年間はそのような変動が見られない期間を示している。
• 本研究では、HD 168443 と HD 74156 が、星の重心運動と長期的活動サイクルの間の仮説的関連性を検証するための最適な候補であると特定した。
• 太陽で観測されるものよりも極端な重心運動を示す太陽系外惑星系の存在は、スピン-軌道結合理論の強固で独立した実験台を提供する。
• 結果から、重心運動と星の活動性に相関関係があるならば、その相関は太陽系よりも太陽系外惑星系でより容易に検出可能である可能性があると示唆されている。