[논문 리뷰] HATS-19b, HATS-20b, HATS-21b: Three Transiting Hot-Saturns Discovered by the HATSouth Survey

W. Bhatti, G. Á. Bakos외 25명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 01.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 HATSouth 조사에 의해 세 개의 전행하는 핫-색푸르운 외계행성—HATS-19b, HATS-20b, HATS-21b—의 발견을 보고한다. 연구는 높이 팽창된 반지름과 비정상적인 궤도 이심률을 포함한 다양한 행성적 성질을 드러내며, 평형 온도와 행성 반지름 사이에 유의미한 양의 상관관계가 있음을 확인하고, 주계성의 금속성과의 상관관계는 약한 음의 상관관계를 보였다.

ABSTRACT

We report the discovery by the HATSouth exoplanet survey of three hot-Saturn transiting exoplanets: HATS-19b, HATS-20b, and HATS-21b. The planet host HATS-19 is a slightly evolved V = 13.0 G0 star with [Fe/H] = 0.240, a mass of 1.303 Msun, and a radius of 1.75 Rsun. HATS-19b is in an eccentric orbit (e = 0.30) around this star with an orbital period of 4.5697 days and has a mass of 0.427 Mjup and a highly inflated radius of 1.66 Rjup. The planet HATS-20b has a Saturn-like mass and radius of 0.273 Mjup and 0.776 Rjup respectively. It orbits the V = 13.8 G9V star HATS-20 (Ms = 0.910 Msun; Rs = 0.892 Rsun) with a period of 3.7993 days. Finally, HATS-21 is a V = 12.2 G4V star with [Fe/H] = 0.300, a mass of 1.080 Msun, and a radius of 1.021 Rsun. Its accompanying planet HATS-21b has a 3.5544-day orbital period, a mass of 0.332 Mjup, and a moderately inflated radius of 1.123 Rjup. With the addition of these three very different planets to the growing sample of hot-Saturns, we re-examine the relations between the observed giant planet radii, stellar irradiation, and host metallicity. We find a significant positive correlation between planet equilibrium temperature and radius, and a weak negative correlation between host metallicity and radius. To assess the relative influence of various physical parameters on observed planet radii, we train and fit models using Random Forest regression. We find that for hot-Saturns (0.1 < Mp < 0.5 Mjup), the planetary mass and equilibrium temperature play dominant roles in determining radii. For hot-Jupiters (0.5 < Mp < 2.0 Mjup), the most important parameter is equilibrium temperature alone. Finally, for irradiated higher-mass planets (Mp > 2.0 Mjup), we find that equilibrium temperature dominates in influence, with smaller contributions from planet mass and host metallicity.

연구 동기 및 목표

• HATSouth 조사의 도움을 받아 핫-색푸르운 외계행성의 질량 및 반지름 범위에서 전행하는 외계행성을 식별하고 특성화하기.
• 핫-색푸르운 외계행성에서 행성 반지름, 항성 복사량, 주계성 금속성 간의 관계를 조사하기.
• 광학적 및 분광적 분석을 통해 주계성과 그 행성의 물리적 매개변수를 도출하기.
• 항성 금속성과 복사량이 행성 반지름 팽창을 이끄는 데 미치는 역할을 평가하기.
• 행성 진화 모델 검증을 위한 새로운 데이터 포인트를 증가하는 데 기여하기.

제안 방법

• 대상 항성의 광도 변화에서 전행 사건을 탐지하기 위해 HATSouth 조사의 광학적 광도 모니터링을 활용하였다.
• 행성 질량을 확인하기 위해 FEROS, HARPS, PFS 분광계를 사용해 고정밀 도플러 속도 측정을 수행하였다.
• 스펙트럼 에너지 분포 피팅 및 고해상도 분광법을 통해 주계성 매개변수를 도출하기 위해 항성 특성 분석을 수행하였다.
• 광학적 광도 변화에서 전행 모델링을 적용하여 행성 반지름과 궤도 주기를 유도하였다.
• 궤도 정렬 상태를 평가하고 전행 오염 데이터 포인트를 배제하기 위해 Rossiter-McLaughlin 효과를 적용하였다.
• 기계학습(랜덤 포레스트 모델)과 경험적 관계식(E12)을 사용해 질량, 복사량, 금속성에 기반한 행성 반지름을 예측하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최근에 발견된 핫-색푸르운 외계행성 HATS-19b, HATS-20b, HATS-21b의 물리적 및 궤도 매개변수는 무엇인가?
• RQ2 이들 행성의 평형 온도와 주계성 금속성은 관측된 반지름과 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ3 이들 핫-색푸르운 외계행성의 관측 반지름은 복사량과 질량에 기반한 이론적 예측에서 얼마나 벗어나 있는가?
• RQ4 항성 금속성과 복사량 수준을 고려할 때, 행성 팽창의 의미는 무엇인가?
• RQ5 HATSouth로 발견된 행성들은 다른 알려진 핫-색푸르운 외계행성들과 비교해 반지름 팽창과 궤도 이심률 측면에서 어떻게 다를까?

주요 결과

• HATS-19b는 매우 팽창된 핫-색푸르운 외계행성으로, 반지름은 1.66+0.27/-0.21 R_J이며, [Fe/H] = 0.240 ± 0.050의 금속성 높은 G0형 항성의 궤도를 돈다.
• HATS-19b는 이심률이 0.30 ± 0.10인 비정상적인 궤도를 가지고 있으며, 4.5697일의 짧은 궤도 주기를 가지며 강한 tidal 상호작용을 나타낸다.
• HATS-20b는 사탄형 질량(0.273 ± 0.035 M_J)과 반지름(0.776 ± 0.055 R_J)을 가지며, 질량이 낮은 G9V형 항성의 궤도를 돈다. 궤도 주기는 3.7993일이다.
• HATS-21b는 중간 정도로 팽창된 행성으로 반지름은 1.123+0.147/-0.054 R_J이며, 밝은 G4V형 항성의 궤도를 돈다. [Fe/H] = 0.300 ± 0.040이고 궤도 주기는 3.5544일이다.
• 이 연구는 핫-색푸르운 외계행성 샘플 전반에 걸쳐 평형 온도와 행성 반지름 사이에 유의미한 양의 상관관계가 있음을 확인하였다.
• 주계성 금속성과 행성 반지름 사이에 약한 음의 상관관계가 발견되어, 금속성이 복사량에 비해 반지름 팽창에 보조적인 역할을 할 수 있음을 시사한다.