[논문 리뷰] Star-planet interactions. IV. Possibility of detecting the orbit-shrinking of a planet around a red giant

G. Meynet, P. Eggenberger외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 07.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 24인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 별의 진화 모델과 궤도 역학을 결합하여 붉은 거성 별을 공전하는 행성의 tidal 상호작용으로 인한 궤도 감쇠 가능성에 대해 조사한다. 반사 속도 변화는 연간 1 m/s 이상 초과하고, 5년 간의 전이 시기 변화는 약 1시간에 이르며, 붹어들기 전 마지막 3,000년 동안 관측 가능하다. 이에 따라 전이 시기 변화를 통해 붕괴된 별의 tidal 물리학을 탐색하는 데 가장 유망한 방법은 전이 시스템이다.

ABSTRACT

The surface rotations of some red giants are so fast that they must have been spun up by tidal interaction with a close companion, either another star, a brown dwarf, or a planet. We focus here on the case of red giants that are spun up by tidal interaction with a planet. When the distance between the planet and the star decreases, the spin period of the star decreases, the orbital period of the planet decreases, and the reflex motion of the star increases. We study the change rate of these three quantities when the circular orbit of a planet of 15 M$_{J}$ that initially orbits a 2 M$_\odot$ star at 1 au shrinks under the action of tidal forces during the red giant phase. We use stellar evolution models coupled with computations of the orbital evolution of the planet, which allows us to follow the exchanges of angular momentum between the star and the orbit in a consistent way. We obtain that the reflex motion of the red giant star increases by more than 1 m s$^{-1}$ per year in the last $\sim$40 years before the planet engulfment. During this phase, the reflex motion of the star is between 660 and 710 m s$^{-1}$. The spin period of the star increases by more than about 10 minutes per year in the last 3000 y before engulfment. During this period, the spin period of the star is shorter than 0.7 year. During this same period, the variation in orbital period, which is shorter than 0.18 year, is on the same order of magnitude. Changes in reflex-motion and spin velocities are very small and thus most likely out of reach of being observed. The most promising way of detecting this effect is through observations of transiting planets, that is, through{\it } changes of the beginning or end of the transit. A space mission like PLATO might be of great interest for detecting planets that are on the verge of being engulfed by red giants.

연구 동기 및 목표

• 붉은 거성 주위를 도는 행성의 tidal 상호작용으로 인한 궤도 수축 가능성의 탐지 가능성 평가
• 행성의 삼키기 전 마지막 단계에서 반사 속도, 별의 자전 주기, 궤도 주기 변화의 정량적 평가
• 실시간으로 tidal 진화를 드러내는 관측 가능 신호—특히 전이 시스템에서의 것—식별
• 현재 및 향후 미션인 PLATO와 같은 미션으로 이러한 효과를 탐지할 수 있는지 가능성 평가
• 빠르게 자전하는 붉은 거성과 내부 궤도를 도는 행성을 가진 후보 시스템을 선별하기 위한 관측 기준 제공

제안 방법

• 별의 진화 모델과 궤도 진화 계산을 결합하여 별과 행성 간의 각운동량 교환을 일관되게 추적
• 15 M_J 행성이 2 M_⊙ 별 주위 1 au 궤도에서 도는 시나리오를 붉은 거성 단계를 거쳐 시뮬레이션
• 시간에 따른 이심률, 반사 속도, 별의 자전 주기, 궤도 주기 변화 추적
• 수치적 궤도 진화 결과를 검증하기 위해 분석적 해법(Eq. 3) 사용
• R_*/a 기반으로 전이 가능성 평가 및 전이 시기 변화의 탐지 가능성 평가
• 관측 기준 식별: log g < 2, v_rot > 3–4 km/s, 행성 궤도 반경 0.4–1 au 이내, 전이 기하학적 배치

실험 결과

연구 질문

• RQ1 붉은 거성 주위 행성의 궤도 감쇠가 반사 속도 또는 전이 시기 변화에 관측 가능한 변화를 유도할 수 있는가?
• RQ2 삼키기 전 마지막 3,000년 동안 반사 속도, 별의 자전 주기, 궤도 주기 변화의 기대 크기는 얼마인가?
• RQ3 반사 운동, 자전 주기, 전이 시기 변화 중 어떤 관측 신호가 탐지 가능성에서 가장 높은가?
• RQ4 현재 궤도 수축 단계에 있는 후보 시스템을 선별하기 위한 기준은 무엇인가?
• RQ5 향후 천문미션인 PLATO는 이러한 시스템을 탐지하고 특성화하는 데 어떻게 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 삼키기 전 약 40년 동안 붉은 거성의 반사 속도는 연간 1 m/s 이상 증가하여 660~710 m/s에 도달한다.
• 삼키기 전 마지막 3,000년 동안 별의 자전 주기는 연간 10분 이상 감소하여 0.7년 이하로 떨어진다.
• 궤도 주기 변화는 약 0.18년 수준이며, 자전 주기 변화와 유사한 크기이다.
• 전이 시기 변화는 삼키기 전 마지막 3,000년 동안 5년 기준 약 1시간 이상에 이르며, 이는 전이 시스템이 가장 유망한 탐지 대상임을 시사한다.
• 기존에 알려진 붉은 거성 중 100개 중 약 30개가 궤도 수축 단계에 있으며, 전이 확률 18.7%에 따라 약 5~6개가 전이를 보일 것으로 예측된다.
• 0.21 au 거리에 5.4 M_J 행성이 있는 TYC 3667-1289b 시스템은 전이 확률 14%이지만, 낮은 자전 속도에도 불구하고 계속 모니터링할 만한 강력한 후보이다.