[論文レビュー] The GAPS Programme with HARPS-N at TNG. XIII. The orbital obliquity of three close-in massive planets hosted by dwarf K-type stars: WASP-43, HAT-P-20 and Qatar-2

M. Esposito, E. Covino+46 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 100被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、Telescopio Nazionale Galileoに搭載されたHARPS-Nを用いた高精度径速度測定を用いて、冷却したK型矮星を公転する3つの質量の大きな近接系系外惑星（WASP-43b、HAT-P-20b、Qatar-2b）の軌道傾きを測定した。WASP-43bは星の自転軸と整合している（λ = 3.5° ± 6.8°）、HAT-P-20bはわずかだが有意な傾きを示している（Ψ = 36°⁻¹²⁺¹⁰）、Qatar-2bはわずかに整合性があるが、星-惑星相互作用による可能性のある星の活動性の増強の兆候が観測された。

ABSTRACT

In the framework of the GAPS project, we are conducting an observational programme aimed at the determination of the orbital obliquity of known transiting exoplanets. The targets are selected to probe the obliquity against a wide range of stellar and planetary physical parameters. We exploit high-precision radial velocity (RV) measurements, delivered by the HARPS-N spectrograph at the 3.6m Telescopio Nazionale Galileo, to measure the Rossiter-McLaughlin (RM) effect in RV time-series bracketing planet transits, and to refine the orbital parameters determinations with out-of-transit RV data. We also analyse new transit light curves obtained with several 1-2m class telescopes to better constrain the physical fundamental parameters of the planets and parent stars. We report here on new transit spectroscopic observations for three very massive close-in giant planets: WASP43b, HATP20b and Qatar2b orbiting dwarf K-type stars with effective temperature well below 5000K. We find lambda = 3.5pm6.8 deg for WASP43b and lambda = -8.0pm6.9 deg for HATP20b, while for Qatar2, our faintest target, the RM effect is only marginally detected, though our best-fit value lambda = 15pm20 deg is in agreement with a previous determination. In combination with stellar rotational periods derived photometrically, we estimate the true spin-orbit angle, finding that WASP43b is aligned while the orbit of HATP20b presents a small but significant obliquity (Psi=36 _{-12}^{+10} deg). By analyzing the CaII H&K chromospheric emission lines for HATP20 and WASP43, we find evidence for an enhanced level of stellar activity which is possibly induced by star-planet interactions.

研究の動機と目的

• 冷却したK型星を公転する3つの質量の大きな近接系系外惑星の軌道傾きを特定すること。
• これらの系における潮汐相互作用や星の伴星がスピン-軌道整合性に与える影響を調査すること。
• CaII H&K発光線を用いたクロモスフィア活動指標（R′HK）を通じて、星-惑星相互作用の役割を評価すること。
• 軌道曲線と径速度データを用いて、惑星および星のパラメータを精緻化すること。

提案手法

• 惑星の食時にロシーター＝マクラウリン効果を検出するために、TNGに搭載されたHARPS-N分光計による高精度径速度測定が用いられた。
• 食外の径速度データを用いて、軌道パラメータを精緻化し、システムの予期的エフェマリスを改善した。
• 1～2m望遠鏡からの軌道曲線を分析し、惑星および星の物理的パラメータを制約した。
• 星の自転周期を光度測定により導出し、投影された傾きλから真のスピン-軌道角Ψを推定した。
• CaII H&K線の発光を用いてクロモスフィア活動を評価し、星-惑星相互作用の兆候を検出した。
• 傾きおよび離心率の潮汐減衰 timescale をモデル化し、時間経過による軌道の円形化および整合化の可能性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WASP-43b、HAT-P-20b、Qatar-2bの真のスピン-軌道角は何か？ また、それらの軌道は星の自転軸と整合しているか？
• RQ2 HAT-P-20bの遠方の星の伴星が、そのわずかな傾きおよび非ゼロの離心率を持つ軌道構造に影響を与えているか？
• RQ3 WASP-43およびHAT-P-20に、潮汐的または磁気的星-惑星相互作用による活動性の増強の兆候があるか？
• RQ4 傾きおよび離心率の潮汐散逸 timescale は、これらの系の推定年齢と比較してどの程度か？
• RQ5 質量の大きな近接系系外惑星を有するより冷却されたK型星は、より高温の星と同様の整合傾向を示すか？

主な発見

• WASP-43bの真のスピン-軌道角はゼロに一致しており（Ψ = 0°）、良好に整合した系であることを示している。
• HAT-P-20bはわずかだが有意な傾き（Ψ = 36°⁻¹²⁺¹⁰）を示しており、非共面軌道である可能性を示している。
• Qatar-2bはロシーター＝マクラウリン効果の検出がわずかであるが、最良適合のλ = 15° ± 20°は整合性と一致している。
• WASP-43およびHAT-P-20の両方で、自転周期に応じた予想を上回るクロモスフィア活動（R′HK）が観測され、星-惑星相互作用の可能性を示唆している。
• 傾きの潮汐減衰 timescale は、系の推定年齢よりも短く、潮汐力が時間経過とともに軌道を再整合化した可能性を示している。
• HAT-P-20bの離心率（e = 0.0172 ± 0.0016）は、その潮汐減衰 timescale（約4 Gyr）が系の年齢を上回るため、初期のものである可能性が高く、一方WASP-43の離心率は1000万年以内に減衰している。