[論文レビュー] The HADES RV Programme with HARPS-N@TNG VIII. Gl15A: A multiple wide planetary system sculpted by binary interaction

M. Pinamonti, M. Damasso+29 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 63被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、M型矮星Gl15Aの周囲に存在する多重惑星系の発見を報告する。この系では、遠方の離心率を持つ連星星Gl15Bの重力的影響によって、長周期の補助惑星（Gl15A c）の軌道が動的に形成されている。径速度および画像観測データを用いて、Gl15Bが引き起こすリドフ＝コザイ振動が、軌道傾きが75°–90°の狭い範囲内でのみ外側の惑星の軌道を安定化させることを示した。他の傾きでは軌道が不安定になることが判明し、連星星との相互作用が惑星系構造に与える重要な役割が浮き彫りになった。

ABSTRACT

We present 20 years of radial velocity (RV) measurements of the M1 dwarf Gl15A, combining 5 years of intensive RV monitoring with the HARPS-N spectrograph with 15 years of archival HIRES/Keck RV data. We carry out an MCMC-based analysis of the RV time series, inclusive of Gaussian Process (GP) approach to the description of stellar activity induced RV variations. Our analysis confirms the Keplerian nature and refines the orbital solution for the 11.44-day period super Earth, Gl15A\,b, reducing its amplitude to $1.68^{+0.17}_{-0.18}$ m s$^{-1}$ ($M \sin i = 3.03^{+0.46}_{-0.44}$ M$_\oplus$), and successfully models a long-term trend in the combined RV dataset in terms of a Keplerian orbit with a period around 7600 days and an amplitude of $2.5^{+1.3}_{-1.0}$ m s$^{-1}$, corresponding to a super-Neptune mass ($M \sin i = 36^{+25}_{-18}$ M$_\oplus$) planetary companion. We also discuss the present orbital configuration of Gl15A planetary system in terms of the possible outcomes of Lidov-Kozai interactions with the wide-separation companion Gl15B in a suite of detailed numerical simulations. In order to improve the results of the dynamical analysis, we derive a new orbital solution for the binary system, combining our RV measurements with astrometric data from the WDS catalogue. The eccentric Lidov-Kozai analysis shows the strong influence of Gl15B on the Gl15A planetary system, which can produce orbits compatible with the observed configuration for initial inclinations of the planetary system between $75^\circ$ and $90^\circ$, and can also enhance the eccentricity of the outer planet well above the observed value, even resulting in orbital instability, for inclinations around $0^\circ$ and $15^\circ - 30^\circ$. The Gl15A system is the multi-planet system closest to Earth, at $3.57$ pc, and hosts the longest period RV sub-jovian mass planet discovered so far.

研究の動機と目的

• Gl15A惑星系の力学的構造を特徴づけること、特に長周期の補助惑星Gl15A cの軌道パラメータを特定すること。
• 遠方の離心率を持つ連星Gl15Bが惑星系の軌道的安定性および進化に与える影響を調査すること。
• 観測されたGl15A cの軌道的配置が、リドフ＝コザイ型相互作用のもとで長期的に安定であるかどうかを検証すること。
• Gl15A cの期待されるアストロメトリックなシグナルを踏まえて、将来のGaiaデータを用いたアストロメトリック検出の可能性を評価すること。

提案手法

• HARPS-N@TNGから得られた径速度測定値を用いて、Gl15A cの惑星信号を検出。半振幅Kcは3–σの有意水準に達している。
• EXORAP計画に含まれるAPT2望遠鏡からの光度観測を用いて、 transit信号の探索を実施したが、検出されなかった。
• N体数値シミュレーションを実施し、Gl15B連星の影響を受ける系の長期的力学的進化をモデル化した。
• リドフ＝コザイ機構を解析的および数値的に検証し、初期の軌道傾きおよび離心率の関数としてGl15A cの安定な軌道配置を特定した。
• トルレス（1999）の形式を用いてアストロメトリック予測を行い、星の運動における曲率効果を推定した。予想される振幅は20–30 μas yr⁻²であった。
• 将来のGaiaデータリリースの可能性を評価し、Gl15A cのアストロメトリックなシグナルを検出できるかを検討した。予想される正確な自己運動の精度は<10 μas yr⁻¹であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長周期の惑星補助体Gl15A cの軌道的配置は何か？ また、Gl15B連星の影響を受けても安定な状態に保たれるか？
• RQ2 離心率を持つ連星Gl15Bが、Gl15A cの軌道を安定化または不安定化させるリドフ＝コザイ振動をどの程度引き起こすか？
• RQ3 強いリドフ＝コザイ相互作用のため、Gl15A cの安定な軌道が禁止される特定の軌道傾き範囲は存在するか？
• RQ4 将来のGaiaアストロメトリがGl15A cに起因する軌道の曲率を検出可能か？ また、期待される信号強度はどの程度か？
• RQ5 惑星同士の散乱イベントが、系の長期的進化に与える影響は何か？ また、それらが現在の軌道パラメータを説明できるか？

主な発見

• Gl15A cの軌道解は、リドフ＝コザイ振動が低離心率を維持する75°–90°の狭い傾き範囲内でのみ安定な軌道と整合的である。
• 15°–30°および0°付近の傾きでは、初期の離心率にかかわらず、極端なリドフ＝コザイ励起のため、安定な軌道は不可能である。
• 系の長周期惑星Gl15A cは、3–σの有意水準の半振幅Kcを示しており、径速度と直接画像観測の両方からの強力な証拠により、その存在が確認された。
• 円軌道および最小質量を仮定した場合、Gl15A cが主星に与える期待されるアストロメトリックなシグナルは570 μasであり、曲率効果は20–30 μas yr⁻²の範囲でGaiaで検出可能である。
• GaiaはGl15Aの自己運動の精度を<10 μas yr⁻¹まで達成でき、完全な軌道カバレッジが得られる前でも、軌道曲率を検出可能である。
• 本系は、遠方の恒星伴星が影響を与える多重惑星系におけるリドフ＝コザイ力学の検証にふさわしい実験的実験施設である。