[논문 리뷰] Planet-star interactions with precise transit timing. II. The radial-velocity tides and a tighter constraint on the orbital decay rate in the WASP-18 system

G. Maciejewski, Heather A. Knutson외 5명|Conicet|2020. 04. 14.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 1인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 거대한 핫 젠더 WASP-18b와 그 주계성 간의 tidal 상호작용을 탐구하기 위해 WASP-18 시스템의 반직경 속도(RV) 변동성과 28년 간의 전행 시기 데이터를 분석한다. 평형 tidal 이론과 일치하는 radial-velocity tidal 신호를 검출하고, 항성의 수정된 tidal 품질 인자에 대해 더 엄격한 제약 조건을 설정하여 95% 신뢰수준에서 $Q^{\text{'}}_{\star} > 3.9 \times 10^6$를 도출하였으며, 이는 이전에 가정된 것보다 더 약한 tidal 분산을 시사한다.

ABSTRACT

From its discovery, the WASP-18 system with its massive transiting planet on a tight orbit was identified as a unique laboratory for studies on tidal planet-star interactions. In an analysis of Doppler data, which include five new measurements obtained with the HIRES/Keck-I instrument between 2012 and 2018, we show that the radial velocity signal of the photosphere following the planetary tidal potential can be distilled for the host star. Its amplitude is in agreement with both theoretical predictions of the equilibrium tide approximation and an ellipsoidal modulation observed in an orbital phase curve. Assuming a circular orbit, we refine system parameters using photometric time series from TESS. With a new ground-based photometric observation, we extend the span of transit timing observations to 28 years in order to probe the rate of the orbital period shortening. Since we found no departure from a constant-period model, we conclude that the modified tidal quality parameter of the host star must be greater than 3.9x10^6 with 95% confidence. This result is in line with conclusions drawn from studies of the population of hot Jupiters, predicting that the efficiency of tidal dissipation is 1 or 2 orders of magnitude weaker. As the WASP-18 system is one of the prime candidates for detection of orbital decay, further timing observations are expected to push the boundaries of our knowledge on stellar interiors.

연구 동기 및 목표

• 주계성 WASP-18A에 작용하는 행성 tidal 포텐셜에 의해 유도된 반직경 속도 tidal 신호를 탐지하고 특성화하기.
• TESS 저광도 데이터와 새로운 지상 기반 전행 관측 자료를 이용하여 궤도 및 시스템 파라미터를 보다 정밀하게 보정하기.
• 장기적인 전행 시기 변동성을 분석하여 WASP-18A의 수정된 tidal 품질 인자 $Q^\prime_\star$ 를 제약 조건하기.
• WASP-18 시스템에서 tidal 분산으로 인한 궤도 감쇠가 관측 가능한지, 특히 이 시스템이 궤도에 빠지는 핫 젠더의 주요 후보임을 고려하여 검증하기.

제안 방법

• 2012년에서 2018년 사이에 HIRES/Keck-I 분광계를 사용하여 5개의 새로운 고정밀 반직경 속도 측정치를 확보하고, 이전의 모든 HIRES 데이터를 통일성 있게 재처리하였다.
• RV 데이터를 TESS 및 지상 기반 관측 자료의 광도 곡선과 융합하여 궤도 및 항성 파라미터를 보정하였다.
• 28년 간의 기간을 기반으로 일관된 전행 시기 분석을 수행하여 선형 ephemeris에서의 이격 여부를 탐지함으로써 궤도 감쇠의 징후를 확인하였다.
• 평형 tidal 근사 모델을 사용하여 반직경 속도 tidal 신호를 모델링하고 관측된 RV 변동성과 비교하였다.
• 베이지안 분석을 통해 관측된 전행 시기 잔차를 이론적 궤도 감쇠 예측과 비교하여 $Q^\prime_\star$ 를 제약 조건으로 설정하였다.
• 데이터 커버리지와 정밀도를 향상시키기 위해 CORALIE 및 Planet Finder Spectrograph로부터 추가적인 RV 측정치를 통합하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WASP-18A의 RV 데이터에서 행성 tidal 포텐셜에 의해 유도된 반직경 속도 tidal 신호를 분리하고 측정할 수 있는가?
• RQ2 28년 간의 전행 시기 관측 자료에서 WASP-18 시스템에 궤도 감쇠의 증거가 있는가?
• RQ3 측정된 tidal RV 신호의 진폭이 평형 tidal 모델에 기반한 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 현재의 시기 데이터를 바탕으로 WASP-18A의 수정된 tidal 품질 인자 $Q^\prime_\star$ 에 대해 가능한 가장 엄격한 하한값은 무엇인가?
• RQ5 관측된 데이터는 WASP-18A의 tidal 분산이 전통적인 $Q^\prime_\star = 10^6$ 값보다 더 약한지를 지지하는가?

주요 결과

• 행성 tidal 포텐셜에 의해 유도된 WASP-18A의 반직경 속도 신호는 성공적으로 분리되었으며, 그 진폭은 평형 tidal 모델의 이론적 예측과 일치한다.
• 관측된 tidal RV 신호의 진폭은 TESS 궤도 위상 곡선에서 관측된 200 ppm의 타원형 변형 진폭과 일치하여 광학적 및 분광학적 tidal 서명 간의 일관성을 확인한다.
• 28년 간의 전행 시기 기간 동안 선형 ephemeris에서의 유의미한 이격이 관측되지 않아, 이 기간 동안 측정 가능한 궤도 감쇠가 없음을 시사한다.
• WASP-18A의 수정된 tidal 품질 인자는 95% 신뢰수준에서 $Q^\prime_\star > 3.9 \times 10^6$로 제약 조건이 설정되었으며, 이하 값은 배제된다.
• 이 제약 조건은 최근의 핫 젠더 집단 연구 결과와 일치하며, tidal 분산가 전통적인 $10^6$ 값보다 1~2개 오르기 정도 더 약하다는 것을 시사한다.
• 이 시스템은 여전히 궤도 감쇠를 탐지하기 위한 주요 후보이며, 향후 TESS 관측을 통해 $Q^\prime_\star$ 제약 조건이 더욱 강화될 것으로 예상된다.