[논문 리뷰] An extreme planetary system around HD219828. One long-period super Jupiter to a hot-neptune host star

N. C. Santos, A. Santerne외 20명|University of Birmingham Research Portal (University of Birmingham)|2016. 05. 23.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 96인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 밝고 금속성 농도가 높은 별 HD 219828 주위에서 극단적인 행성계의 발견을 보고한다. 이 행성계는 핫 네플리티언(이하 HD 219828 b, 21 M⊕, P=3.83일)과 질량이 크고 궤도 주기가 긴 거대 행성(이하 HD 219828 c, m sin i=15.1 MJup, P=13.1년, e=0.81)을 수반한다. HARPS, SOPHIE, ELODIE 스펙트로그래프를 이용한 라디얼 속도 모니터링을 통해 시스템의 안정성이 확인되었으며, 이는 핫 네플리티언과 핫 줌프의 형성 경로가 다름을 시사한다.

ABSTRACT

With about 2000 extrasolar planets confirmed, the results show that planetary systems have a whole range of unexpected properties. We present a full investigation of the HD219828 system, a bright metal-rich star for which a hot neptune has previously been detected. We used a set of HARPS, SOPHIE, and ELODIE radial velocities to search for the existence of orbiting companions to HD219828. A dynamical analysis is also performed to study the stability of the system and to constrain the orbital parameters and planet masses. We announce the discovery of a long period (P=13.1years) massive (msini=15.1MJup) companion (HD219828c) in a very eccentric orbit (e=0.81). The same data confirms the existence of a hot-neptune, HD219828b, with a minimum mass of 21 MEarth and a period of 3.83days. The dynamical analysis shows that the system is stable. The HD219828 system is extreme and unique in several aspects. First, among all known exoplanet systems it presents an unusually high mass ratio. We also show that systems like HD219828, with a hot neptune and a long-period massive companion are more frequent than similar systems with a hot jupiter instead. This suggests that the formation of hot neptunes follows a different path than the formation of their hot jovian counterparts. The high mass, long period, and eccentricity of HD219828c also make it a good target for Gaia astrometry as well as a potential target for atmospheric characterisation, using direct imaging or high-resolution spectroscopy. Astrometric observations will allow us to derive its real mass and orbital configuration. If a transit of HD219828b is detected, we will be able to fully characterise the system, including the relative orbital inclinations. With a clearly known mass, HD219828c may become a benchmark object for the range in between giant planets and brown dwarfs.

연구 동기 및 목표

• 이전에 핫 네플리티언을 수반하고 있음이 알려진 HD 219828 행성계의 역학적 구조와 안정성을 조사하기 위해.
• 고정밀 라디얼 속도 데이터를 이용해 동반행성의 궤도 요소와 최소 질량을 결정하기 위해.
• 기타 알려진 외계행성계와 비교할 때 질량 비율과 궤도 구조 측면에서 이 시스템의 유일성을 평가하기 위해.
• 전이 탐지 가능성과 로시터-맥클라우린 효과 측정을 통해 궤도 기울기를 제약하기 위한 평가를 위해.
• 거대 행성과 밀도성 천체의 경계를 연구하는 데 있어 이 시스템이 기준 물체로 활용될 잠재성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• ESO 및 OHP 관측소에 위치한 HARPS, SOPHIE, ELODIE 스펙트로그래프를 이용해 라디얼 속도 측정을 수행하였다.
• 활동성에 기인한 신호를 평가하기 위해 고해상도 스펙트로스코피를 통해 항성 파ameters와 화학 성분 농도를 유도하였다.
• 장기적인 안정성을 확인하기 위해 두 행성 시스템의 역학적 안정성 분석을 수행하였다.
• 타원도와 장주기 신호를 고려한 라디얼 속도 데이터의 공동 피팅을 통해 궤도 요소를 제약하였다.
• 미래 관측을 위한 기대 전이 깊이(600–1200 ppm)와 로시터-맥클라우린 효과 진폭(1.4–2.6 m s⁻¹)을 추정하기 위해 이론 모델을 사용하였다.
• 아스트로메트릭 및 직접 영상 관측 가능성을 COND 진화 모델과 투영 거리(아파스트론에서 0.14 arcsec)를 이용해 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 핫 네플리티언과 질량이 큰 장주기 동반행성이 존재하는 상황에서, HD 219828 시스템의 진정한 궤도 구조와 질량 비율은 무엇인가?
• RQ2 이 시스템은 장기적으로 안정한가? 그리고 그 역학적 구성은 행성 형성과 이동에 어떤 함의를 지닌다?
• RQ3 이 시스템은 핫 네플리티언과 질량이 큰 외부 동반행성을 수반하는 보다 넓은 범주에 속하는가? 핫 줌프를 수반하는 시스템과는 어떻게 다를까?
• RQ4 HD 219828 b의 전이 탐지 가능성은 어떠한가? 이러한 탐지 결과는 시스템의 기울기와 구조에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ5 HD 219828 c는 거대 행성과 밀도성 천체의 경계를 연구하는 데 있어 기준 물체로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 장주기의 질량이 큰 동반행성(HD 219828 c)이 확인되었으며, 최소 질량은 15.1 MJup, 궤도 주기는 13.1년, 이심률은 0.81이다.
• 이 시스템은 최소 질량 21 M⊕, 궤도 주기 3.83일의 핫 네플리티언(HD 219828 b)을 수반한다.
• 역학적 분석을 통해 시스템의 안정성이 확인되었으며, 행성 b의 평형 이심률은 거의 0에 가깝다.
• 두 행성 간의 질량 비율은 매우 높아, 이는 현재까지 알려진 가장 극단적인 시스템 중 하나이다.
• 별과 HD 219828 c 사이의 투영 거리는 아파스트론에서 0.14 arcsec에 도달하여 직접 영상 관측에 적합한 대상이다.
• 미래의 Gaia 아스트로메트리 및 고해상도 스펙트로스코피 또는 직접 영상에 의한 대기 특성 분석을 위한 강력한 후보 시스템이다.