[논문 리뷰] Observation of the full 12-hour-long transit of the exoplanet HD80606b. Warm-Spitzer photometry and SOPHIE spectroscopy

G. Hébrard, J. -M. Désert외 25명|arXiv (Cornell University)|2010. 04. 06.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 85인용 수 81

한 줄 요약

이 연구는 고도로 타원도를 가진 외계행성 HD 80606b의 12시간 전체 전행을 동시에 수행한 온도가 높은 스피처 적외선 광도계 측정과 지상 기반 SOPHIE 다중속도 스펙트로스코피를 이용하여 처음으로 수행한 관측이다. 데이터는 행성-항성 반지름 비율을 0.1001 ± 0.0006으로 정밀화하였으며, 유의미한 스핀-오비트 기울기 이심(λ = 42° ± 8°)을 확인하고, 전행 시각 변화 및 항성 spots 특징을 포착하여, 목성 질량의 행성과는 다를 수 있는 거대 행성의 진화 경로를 시사한다.

ABSTRACT

We present new observations of a transit of the 111-day-period exoplanet HD80606b. Using the Spitzer Space Telescope and its IRAC camera on the post-cryogenic mission, we performed a 19-hour-long photometric observation of HD80606 that covers the full transit of 13-14 January 2010. We complement this photometric data by new spectroscopic observations that we simultaneously performed with SOPHIE at Haute-Provence Observatory. This provides radial velocity measurements of the first half of the transit that was previously uncovered with spectroscopy. This new data set allows the parameters of this singular planetary system to be significantly refined. We obtained a planet-to-star radius ratio R_p/R_* = 0.1001 +/- 0.0006 that is slightly lower than the one measured from previous ground observations. We detected a feature in the Spitzer light curve that could be due to a stellar spot. We also found a transit timing about 20 minutes earlier than the ephemeris prediction; this could be caused by actual TTVs due to an additional body in the system or by underestimated systematic uncertainties. The sky-projected angle between the spin-axis of HD80606 and the normal to the planetary orbital plane is found to be lambda = 42 +/- 8 degrees thanks to the fit of the Rossiter-McLaughlin anomaly. This allows scenarios with aligned spin-orbit to be definitively rejected. Over the twenty planetary systems with measured spin-orbit angles, a few of them are misaligned; this is probably the signature of two different evolution scenarios for misaligned and aligned systems, depending if they experienced or not gravitational interaction with a third body. As in the case of HD80606b, most of the planetary systems including a massive planet are tilted; this could be the signature of a separate evolution scenario for massive planets in comparison with Jupiter-mass planets.

연구 동기 및 목표

• 고도로 타원도가 높은 (e = 0.9) 탓에 매우 긴 12시간 전행을 HD 80606b에서 관측하기 위해.
• 우주 기반 고정밀 광도계 측정과 지상 기반 다중속도 측정을 동시에 수행하여 행성 및 항성 파arameter의 정밀도를 향상시키기 위해.
• 해당 시스템의 스핀-오비트 정렬 상태를 조사하고, 관측된 기울기가 역학적 이동 시나리오와 일치하는지 평가하기 위해.
• 추가 행성 또는 항성 활동을 시사할 수 있는 이질적 현상들, 예를 들어 전행 시각 변화나 항성 spots를 찾기 위해.

제안 방법

• 2010년 1월 13일~14일 동안 19시간에 걸쳐 HD 80606b의 전체 12시간 전행을 커버하는 온도가 높은 스피처 IRAC 광도계 관측을 수행하였다.
• 전행의 첫 번째 반기 동안 하우트-프로방스 관측소에 위치한 SOPHIE 스펙트로그래프를 이용해 동시에 다중속도 측정을 수행하였다.
• 광도계 및 스펙트로스코픽 모델링을 통합하여, 행성-항성 반지름 비율과 궤도 기울기와 같은 행성 및 항성 파arameter를 정밀화하였다.
• Rossiter-McLaughlin 이상 현상을 피팅하여 천구상 투영된 스핀-오비트 각도 λ를 측정하였다.
• 계속적인 오차 모델링을 적용하여 전행 시각 및 밝기 곡선 형상에 대한 잠재적 편향을 평가하였다.
• 적외선 및 가시광선 반지름 측정치를 비교하여 체계적 오차 또는 천체물리적 효과로 인해 발생할 수 있는 불일치를 조사하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HD 80606b에 대한 진정한 행성-항성 반지름 비율 R_p/R_*의 값은 무엇이며, 적외선 관측과 가시광선 관측 간에 어떻게 비교될 수 있는가?
• RQ2 관측된 전행 시각은 천체 운행표와 일치하는가, 아니면 제3의 천체가 존재할 수 있음을 시사하는 전행 시각 변화의 징후가 있는가?
• RQ3 진정한 스핀-오비트 각도 λ는 무엇이며, 이는 거대 행성에 대해 스핀-오비트가 정렬된 시스템이라는 가정을 확인하거나 기각하는가?
• RQ4 전행 밝기 곡선에 영향을 줄 수 있는 탐지 가능한 항성 특징(예: spots)이 존재하는가?
• RQ5 가시광선과 적외선 반지름 간의 관측 불일치는 체계적 오차에서 기인하는가, 아니면 물리적 효과에서 기인하는가?

주요 결과

• 행성-항성 반지름 비율은 R_p/R_* = 0.1001 ± 0.0006으로 정밀화되었으며, 이는 이전의 가시광선 측정치보다 정밀도는 높지만 약간 낮은 값이다.
• 가시광선과 적외선 반지름 간의 불일치에 대한 천체물리적 설명은 발견되지 않았으며, 지상 기반 데이터의 체계적 오차가 가장 가능성 있는 원인으로 간주된다.
• 스피처 밝기 곡선에서 항성 spots 특징이 약간 감지되었으며, 이는 일반적으로 비활성인 항성 표면의 비균일성을 시사한다.
• 예측된 천체 운행표보다 약 20분 일찍 전행이 발생한 것으로 관측되어, 제3의 중력 장애물이 존재할 수 있음을 시사하는 잠재적 전행 시각 변화가 나타났다.
• 스핀-오비트 각도는 λ = 42° ± 8°로 측정되었으며, 이는 유의미한 기울기를 확인하고 정렬된 스핀-오비트 구성이 불가능함을 규명하였다.
• 결과는 HD 80606b와 같은 거대 행성이 낮은 질량의 목성 유사 행성들과는 다를 수 있는 역학적 진화를 겪었을 가능성을 지지하며, 강한 중력 상호작용이 관여했을 것으로 추정된다.