[논문 리뷰] SOPHIE velocimetry of Kepler transit candidates: X KOI-142c: first radial velocity confirmation of a non-transiting exoplanet discovered by transit timing

S. C. C. Barros, R. F. Díaz외 10명|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 18.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 41인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 케플러-88 시스템에서의 전이 주기 변동(TTVs)을 통해 발견된 비전이성 외계행성 KOI-142c에 대한 최초의 반직경 속도 확인을 제시한다. 오랜주프 관측소의 SOPHIE 분광계를 사용하여, 궤도 주기가 22.10 ± 0.25일이고 최소 질량이 0.76⁺⁰.³²₋₀.¹⁶ M_Jup인 행성의 보조 행성을 확인하였으며, 이는 이전의 TTV 기반 예측과 뛰어난 일치를 보이며, 다중 행성 시스템에서 외계행성을 탐지하는 TTV 방법의 타당성을 입증한다.

ABSTRACT

The exoplanet KOI-142b (Kepler-88b) shows transit timing variations (TTVs) with a semi-amplitude of $\sim 12\,$ hours, earning the nickname of "king of transit variations". Only the transit of the planet b was detected in the Kepler data with an orbital period of $\sim 10.92\,$ days and a radius of $\sim 0.36$ R$_{\mathrm{Jup}}$. The TTVs together with the transit duration variations (TDVs) of KOI-142b were analysed by Nesvorny et al. (2013) who found a unique solution for a companion perturbing planet. The authors predicted an outer non-transiting companion, KOI-142c, with a mass of $0.626\pm 0.03$ M$_{\mathrm{Jup}}$ and a period of $22.3397^{+0.0021}_{-0.0018}\,$days, and hence close to the 2:1 mean-motion resonance with the inner transiting planet. We report independent confirmation of KOI-142c using radial velocity observations with the SOPHIE spectrograph at the Observatoire de Haute-Provence. We derive an orbital period of $22.10 \pm 0.25\,$days and a minimum planetary mass of $0.76^{+0.32}_{0.16}\,$ M$_{\mathrm{Jup}}$, both in good agreement with the predictions by previous transit timing analysis. Therefore, this is the first radial velocity confirmation of a non-transiting planet discovered with transit timing variations, providing an independent validation of the TTVs technique.

연구 동기 및 목표

• KOI-142c의 존재를 독립적으로 확인한다. 이는 케플러-88 시스템에서 전이 주기 변동(TTVs)에 의해 예측된 비전이성 외계행성이다.
• 다중 행성 시스템에서 비전이성 행성을 탐지하는 데 있어 TTV 방법의 신뢰성과 타당성을 시험한다.
• KOI-142c의 궤도 매개변수와 최소 질량을 제약하는 반직경 속도 측정치를 제공한다.
• KOI-142b의 TTV 신호가 예측된 보조 행성에 의해 주로 결정되는지, 또는 추가적인 알려지지 않은 천체에 의해 영향을 받는지 평가한다.
• 2:1 평균운동 공진 근처의 공진 행성 시스템의 역학적 구조와 형성 역사를 이해하는 데 기여한다.

제안 방법

• 2013년 7월 1일부터 2013년 11월 14일까지 오랜주프 관측소의 1.93m 망원경에 장착된 SOPHIE 분광계를 사용하여 고정밀 반직경 속도 측정치를 확보하였다.
• 고효율(HE) 모드로 총 11회의 반직경 속도 관측치를 확보하였으며, 분 giải력은 R ≈ 40,000이었다.
• 비정보적 사전 확률를 사용한 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 방법을 적용하여 반직경 속도 데이터에 케플러 궤도 모델을 적합시켰다.
• 고해상도 분광계와 광도 측정치를 이용해 항성의 효율 온도, 금속성, 밀도를 유도하였으며, Dartmouth 항성 진화 트랙의 보간을 통해 주계의 질량를 제약하였다.
• 베이지안 프레임워크를 사용하여 주기, 반진경, 최소 행성 질량의 불확실성을 추정하기 위해 궤도 해를 개선하였다.
• Nesvorný 등(2013)의 역학 모델을 기준으로 예측된 값과 관측된 값을 비교하기 위해 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 KOI-142 시스템에서 전이 주기 변동(TTVs)에 의해 예측된 비전이성 외계행성의 존재를 반직경 속도 관측치로 독립적으로 확인할 수 있는가?
• RQ2 KOI-142c의 측정된 반직경 속도 매개변수는 Nesvorný 등(2013)의 TTV 예측 값과 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ3 KOI-142b의 TTV 신호는 주로 예측된 보조 행성 KOI-142c에 의해 발생하는가, 아니면 추가적인 알려지지 않은 행성에 의해 영향을 받는가?
• RQ4 반직경 속도 결과는 KOI-142c의 진짜 질량과 궤도 기울기 제약을 어떻게 제공하는가?
• RQ5 2:1 공진보다 약간 바깥쪽에 위치하고 비제로 이심률을 가지는 관측된 시스템 구성은 행성-디스크 또는 행성-행성 상호작용을 수반하는 형성 모델을 지지하는가?

주요 결과

• 반직경 속도 데이터는 KOI-142c의 TTV 예측 주기 22.3397⁺⁰.⁰⁰²¹₋₀.⁰⁰¹⁸일과 일치하는 명확한 신호를 보이며 주기가 22.10 ± 0.25일로 확인되었다.
• 유도된 최소 행성 질량은 0.76⁺⁰.³²₋₀.¹⁶ M_Jup이며, TTV 예측 질량 0.626 ± 0.03 M_Jup와 뛰어난 일치를 보였다.
• KOI-142c의 궤도 기울기는 86.2 ± 1.5°로 추정되어, 시스템이 거의 경계면으로 향해 있어 진짜 질량이 최소 질량에 매우 가까울 것임을 시사한다.
• TTV 예측치와 반직경 속도 측정치 간의 뛰어난 일치는 TTV 방법이 비전이성 외계행성을 탐지하는 신뢰할 수 있는 도구임을 입증한다.
• RV와 TTV 질량 추정치 간의 유의미한 불일치가 없음을 고려할 때, TTV 신호가 체계 내 추가적인 알려지지 않은 행성에 의해 크게 교란되지 않았음을 시사한다.
• 2:1 평균운동 공진의 약간 바깥쪽에 위치하고 비제로 이심률을 가지는 시스템의 구성은 행성-디스크 또는 행성-행성 상호작용을 동반하는 이동 과정에서의 형성 시나리오를 지지한다.