[논문 리뷰] Planet-star interactions with precise transit timing. I. The refined orbital decay rate for WASP-12 b and initial constraints for HAT-P-23 b, KELT-1 b, KELT-16 b, WASP-33 b, and WASP-103 b

G. Maciejewski, M. Fernández외 12명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 06.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 정밀한 전행 시기 측정을 통해 WASP-12 b의 궤도 감쇠 속도를 개선하여, 하위거성 별에 대한 이론적 예측과 일치하는 tidal 질량 파라미터 $ Q^{ ext{'}*} = (1.82 \pm 0.32) \times 10^5 $ 를 유도하였다. HAT-P-23 b, KELT-1 b, KELT-16 b, WASP-33 b, WASP-103 b 등 다른 다섯 개의 핫 재규어 행성에 대해서는 유의미한 궤도 감쇠가 관측되지 않아, 주변 별의 tidal 질량 파라미터에 하한선을 제시하였으며, 이는 주계열 별 주변에서의 tidal 분산이 WASP-12의 하위거성 별 주변보다 약한 것을 시사한다.

ABSTRACT

Theoretical calculations and some indirect observations show that massive exoplanets on tight orbits must decay due to tidal dissipation within their host stars. This orbital evolution could be observationally accessible through precise transit timing over a course of decades. The rate of planetary in-spiralling may not only help us to understand some aspects of evolution of planetary systems, but also can be used as a probe of the stellar internal structure. In this paper we present results of transit timing campaigns organised for a carefully selected sample of hot Jupiter-like planets which were found to be the best candidates for detecting planet-star tidal interactions on the Northern hemisphere. Among them, there is the WASP-12 system which is the best candidate for possessing an in-falling giant exoplanet. Our new observations support the scenario of orbital decay of WASP-12 b and allow us to refine its rate. The derived tidal quality parameter of the host star Q'_{*} = (1.82 +/- 0.32) x 10^5 is in agreement with theoretical predictions for subgiant stars. For the remaining systems - HAT-P-23, KELT-1, KELT-16, WASP-33, and WASP-103 - our transit timing data reveal no deviations from the constant-period models, hence constraints on the individual rates of orbital decay were placed. The tidal quality parameters of host stars in at least 4 systems - HAT-P-23, KELT-1, WASP-33, and WASP-103 - were found to be greater than the value reported for WASP-12. This is in line with the finding that those hosts are main sequence stars, for which efficiency of tidal dissipation is predicted to be relatively weak.

연구 동기 및 목표

• 정밀한 전행 시기 측정을 통해 WASP-12 b의 궤도 감쇠 속도를 측정하고, tidal 상호작용 모델을 시험한다.
• HAT-P-23 b, KELT-1 b, KELT-16 b, WASP-33 b, WASP-103 b 등 다섯 개의 다른 핫 재규어 행성계에서 일정한 궤도 주기에서의 이탈 여부를 탐색함으로써 tidal 분산을 제약한다.
• 항성 내부 구조와 분산 효율성을 탐구하기 위해 주변 항성의 tidal 질량 파라미터 $ Q^{ ext{'}*} $ 를 평가한다.
• KELT-1과 같은 시스템의 역학적 상태를 평가하여, tidal 잠금 상태가 각운동량 이행을 억제할 수 있는지 확인한다.
• 대류 핵과 복사 영역을 가진 항성(예: WASP-33)이 하위거성 주변보다 약한 tidal 분산을 보일 수 있는지 평가한다.

제안 방법

• 스페인의 시에erra 네바다 관측소의 1.5m 망원경과 리버풀 망원경을 포함한 다수의 지상 기반 망원경을 사용하여 장기적인 전행 시기 관측을 수행하였다.
• 그란 테레스코피오 칸아리아스와 자이엔 대학 관측소의 광학 데이터를 수집하여 중간 전행 시점 측정의 분당 이내 정밀도를 확보하였다.
• 상수 궤도 주기에서의 이탈을 탐지하기 위해 전행 시기 변동(TTV) 분석을 적용하였으며, 데이터는 선형 및 이차 ephemeris 모델로 모델링되었다.
• tidal 분산 효율성을 정량화하기 위해 타이드 질량 파라미터 $ Q^{ ext{'}*} = \frac{3}{2} \frac{Q_*}{k_2} $ 를 사용하였으며, 여기서 $ Q_* $ 는 타이드 위상 지연의 역수이고 $ k_2 $ 는 두 번째 순서의 레브 수치이다.
• 다른 내부 구조를 가진 항성(예: 하위거성 대비 주계열 항성)의 타이드 분산 이론 모델을 통합하여 관측된 제약 조건을 해석하였다.
• WASP-33과 같은 A형 항성에서의 복사 영역 내 동적 타이드 감쇠 이론과 평형 타이드 이론 예측과 관측된 TTV 경향을 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WASP-12 b의 궤도 감쇠 속도는 하위거성 별 내 타이드 분산에 기반한 이론적 예측과 일치하는가?
• RQ2 HAT-P-23 b, KELT-1 b, KELT-16 b, WASP-33 b, WASP-103 b의 전행 시기 변동에서 지속적인 궤도 감쇠의 증거가 있는가?
• RQ3 이 다섯 시스템의 주변 항성에 대한 타이드 질량 파라미터 $ Q^{ ext{'}*} $ 의 하한선은 무엇이며, WASP-12 b의 값과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 항성의 진화 상태(예: 주계열 대비 하위거성)는 핫 재규어 행성계에서의 타이드 분산 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 별과 행성이 모두 타이드 잠금 상태일 수 있는 KELT-1의 역학적 상태가 감지 가능한 궤도 감쇠의 부재를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• WASP-12 b의 개선된 궤도 감쇠 속도는 하위거성 별에 대한 이론적 기대와 일치하는 타이드 질량 파라미터 $ Q^{ ext{'}*} = (1.82 \pm 0.32) \times 10^5 $ 를 제공한다.
• HAT-P-23 b, KELT-1 b, KELT-16 b, WASP-33 b, WASP-103 b에 대해 유의미한 전행 시기 변동이 관측되지 않아, 관측 기간 동안 측정 가능한 궤도 감쇠가 없음을 시사한다.
• HAT-P-23, KELT-1, WASP-33, WASP-103 주변 항성의 타이드 질량 파라미터는 WASP-12의 값보다 크다는 제약 조건을 받으며, 주계열 항성에서의 타이드 분산이 더 약하다는 것을 시사한다.
• KELT-16 b의 경우 3년 기간이 짧아 $ Q^{ ext{'}*} $ 에 대한 의미 있는 제약 조건을 도출하기에는 부족하지만, 시스템은 감쇠의 징후를 보이지 않는다.
• WASP-33과 WASP-103의 주변 항성은 모두 복사 영역과 대류 핵을 가진 A형 항성으로, 타이드 분산 효율이 떨어질 것으로 예측되며, 이는 관측된 TTV 부재와 일치한다.
• 스펙트로스코픽 증거는 WASP-33과 WASP-103이 주계열 항성임을 확인하며, 이는 하위거성 주변보다 타이드 분산 효율이 낮다는 이론적 기대와 일치한다.