[論文レビュー] The GAPS Programme with HARPS-N@TNG XIV. Investigating giant planet migration history via improved eccentricity and mass determination for 231 transiting planets

A. S. Bonomo, S. Desidera+35 more|Max Planck Institute for Plasma Physics|Apr 2, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 146被引用数 64

ひとこと要約

RVデータのベイズ的均質解析（文献＋782 HARPS-N測定）を用い、231個のトランジット巨大惑星の軌道・惑星・恒星パラメータを精緻化し、離心率と移動史を重視する。

ABSTRACT

We carried out a Bayesian homogeneous determination of the orbital parameters of 231 transiting giant planets (TGPs) that are alone or have distant companions; we employed DE-MCMC methods to analyse radial-velocity (RV) data from the literature and 782 new high-accuracy RVs obtained with the HARPS-N spectrograph for 45 systems over 3 years. Our work yields the largest sample of systems with a transiting giant exoplanet and coherently determined orbital, planetary, and stellar parameters. We found that the orbital parameters of TGPs in non-compact planetary systems are clearly shaped by tides raised by their host stars. Indeed, the most eccentric planets have relatively large orbital separations and/or high mass ratios, as expected from the equilibrium tide theory. This feature would be the outcome of high-eccentricity migration (HEM). The distribution of $α=a/a_R$, where $a$ and $a_R$ are the semi-major axis and the Roche limit, for well-determined circular orbits peaks at 2.5; this also agrees with expectations from the HEM. The few planets of our sample with circular orbits and $α>5$ values may have migrated through disc-planet interactions instead of HEM. By comparing circularisation times with stellar ages, we found that hot Jupiters with $a < 0.05$ au have modified tidal quality factors $10^{5} < Q'_p < 10^{9}$, and that stellar $Q'_s > 10^{6}-10^{7}$ are required to explain the presence of eccentric planets at the same orbital distance. As a by-product of our analysis, we detected a non-zero eccentricity for HAT-P-29; we determined that five planets that were previously regarded to have hints of non-zero eccentricity have circular orbits or undetermined eccentricities; we unveiled curvatures caused by distant companions in the RV time series of HAT-P-2, HAT-P-22, and HAT-P-29; and we revised the planetary parameters of CoRoT-1b.

研究の動機と目的

• 231個の既知のトランジット巨大惑星の軌道・物理パラメータの同質的セットを決定する。
• ベイズDE-MCMCアプローチを用いて軌道離心率と不確実性を定量化・改良する。
• 観測された離心度と分離距離を形作る潮汐進化と移動シナリオを調査する。
• 遠方の伴星による長期RVトレンドを同定し惑星・系パラメータを更新する。
• 潮汐品質因子の制約を提供し、惑星移動の履歴への示唆を評価する。

提案手法

• 各系で少なくとも4つの測定を持つ文献RVデータセットを組み合わせ、45系には782個のHARPS-N RVを追加する。
• 長期ドリフトや外部伴星活動サイクルを考慮するオプションを含むケプラーモデルでRVデータを適合させる。
• 偏微分進化マルコフ連鎖モンテカルロ（DE-MCMC）を用いて軌道パラメータの事後分布をサンプリングする。
• Tc、周期P、Te（二次食時刻）に関する事前分布を組み込み、e cos ωとe sin ωを制約する。
• 離心率の適切な事前分布を保証するジャコビアン対応のパラメータ化を採用し、Bayes因子によるベイズモデル比較で円形軌道 vs. 離心軌道を決定する。
• RV結果を文献のトランジット・恒星パラメータと組み合わせて惑星の質量・密度・重力を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 文献RVデータと新しいHARPS-N観測を組み合わせた場合、231個のトランジット巨大惑星の正確な軌道離心率はどの程度になるか。
• RQ2 潮汐相互作用と移動機構（高離心率移動 vs. 円盤移動）は、ホット/ウォーム・ジ～ュピターの観測された離心率と近点距離分布をどのように形作るか。
• RQ3 サンプル全体を均一に解析した場合の更新された惑星質量・密度・表面重力はどうなるか。
• RQ4 RV時系列に長期的なトレンドや曲率は distant companions を示すか。これらは求められる軌道解にどのように影響するか。
• RQ5 潮汐品質因子（Q′p、Q′s）と恒星年齢の制約は、円滑化時間尺度と離心性惑星の存在を説明できるか。

主な発見

• 非圧縮型TGPの離心率は潮汐が軌道形成に影響していることと一致し、高離心率経路からの移動を示唆する。
• well-determined circular orbitsの分布α = a / aRは2.5付近でピークし、高離心率移動シナリオと整合する。
• a < 0.05 auのホットJupiterは惑星側の修正潮汐品質因子が10^5 ≲ Q′p ≲ 10^9、恒星側がQ′s ≳ 10^6–10^7必要で、観測された離心率を説明する。
• HAT-P-29で非ゼロの離心率e = 0.104−0.018+0.021を検出。かつて離心的と考えられていたいくつかの惑星は現在円形、または離心率が不確定（CoRoT-2b, CoRoT-23b, TrES-3b, HAT-P-23b, WASP-54b）。
• RVデータに曲率と長期トレンドの証拠があり、HAT-P-2, HAT-P-22, HAT-P-29の系に distant companions が存在することを示唆。HAT-P-17cの軌道は大幅に改良され、CoRoT-1bは以前報告より膨張している。