[논문 리뷰] The GAPS Programme with HARPS-N at TNG. XIII. The orbital obliquity of three close-in massive planets hosted by dwarf K-type stars: WASP-43, HAT-P-20 and Qatar-2

M. Esposito, E. Covino외 46명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 10.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 100인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 테레스코피오 나ツィ오날레 갈릴레오의 HARPS-N에서 확보한 고정밀 도플러 속도 측정을 통해, 냉각된 K형 주계열의 근접한 다수의 외계 행성들인 WASP-43b, HAT-P-20b, Qatar-2b의 궤도 기울기를 측정한다. WASP-43b는 항성의 자전축과 정렬되어 있음을 발견하였다 (λ = 3.5° ± 6.8°), HAT-P-20b는 작은 그러나 유의미한 기울기를 보이며 (Ψ = 36°⁻¹²⁺¹⁰), Qatar-2b는 정렬과는 약간의 일치를 보이며, 항성 활동 증가의 증거가 행성-항성 상호작용의 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

In the framework of the GAPS project, we are conducting an observational programme aimed at the determination of the orbital obliquity of known transiting exoplanets. The targets are selected to probe the obliquity against a wide range of stellar and planetary physical parameters. We exploit high-precision radial velocity (RV) measurements, delivered by the HARPS-N spectrograph at the 3.6m Telescopio Nazionale Galileo, to measure the Rossiter-McLaughlin (RM) effect in RV time-series bracketing planet transits, and to refine the orbital parameters determinations with out-of-transit RV data. We also analyse new transit light curves obtained with several 1-2m class telescopes to better constrain the physical fundamental parameters of the planets and parent stars. We report here on new transit spectroscopic observations for three very massive close-in giant planets: WASP43b, HATP20b and Qatar2b orbiting dwarf K-type stars with effective temperature well below 5000K. We find lambda = 3.5pm6.8 deg for WASP43b and lambda = -8.0pm6.9 deg for HATP20b, while for Qatar2, our faintest target, the RM effect is only marginally detected, though our best-fit value lambda = 15pm20 deg is in agreement with a previous determination. In combination with stellar rotational periods derived photometrically, we estimate the true spin-orbit angle, finding that WASP43b is aligned while the orbit of HATP20b presents a small but significant obliquity (Psi=36 _{-12}^{+10} deg). By analyzing the CaII H&K chromospheric emission lines for HATP20 and WASP43, we find evidence for an enhanced level of stellar activity which is possibly induced by star-planet interactions.

연구 동기 및 목표

• 냉각된 K형 주계열 별을 공전하는 세 개의 거대한 근접 외계 행성의 궤도 기울기를 결정하는 것.
• 조석 상호작용 또는 항성 형성자체가 이 시스템의 자전-궤도 정렬에 영향을 미치는지 조사하는 것.
• R′HK 지수와 같은 크로모스피어 활성 지표를 통해 행성-항성 상호작용의 역할을 평가하는 것.
• 이슬람광선 곡선과 도플러 속도 데이터를 이용해 행성 및 항성의 물리적 파라미터를 보정하는 것.

제안 방법

• 행성의 전행 중에 로시터-맥클라우린 효과를 감지하기 위해 TNG에 설치된 HARPS-N 분광계에서 확보한 고정밀 도플러 속도 측정을 사용하였다.
• 전행 외의 도플러 속도 데이터는 궤도 파라미터를 보정하고 시스템의 천체일기(ephemeris)를 향상시키는 데 사용되었다.
• 1~2m 천체망원경에서 확보한 전행 광선 곡선을 분석하여 행성 및 항성의 물리적 파라미터를 제약하였다.
• 항성의 자전 주기를 광학적으로 유도하여, 투영 기울기 λ로부터 진정한 자전-궤도 기울기 Ψ를 추정하였다.
• CaII H&K 선을 통한 복사선 측정을 통해 크로모스피어 활성도를 평가하여 행성-항성 상호작용의 잠재적 영향을 탐지하였다.
• 기울기 및 이심률에 대한 조석 감쇠 시간 상수를 모델링하여, 시간이 지남에 따라 궤도의 원형화 및 정렬 가능성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WASP-43b, HAT-P-20b, Qatar-2b의 진정한 자전-궤도 기울기는 얼마이며, 궤도는 항성의 자전축과 정렬되어 있는가?
• RQ2 HAT-P-20b의 궤도 구조에 영향을 미칠 수 있는 먼 항성 형성자가 존재하는가? 특히 작은 기울기와 비영제로된 이심률을 고려할 때 그렇다면 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 WASP-43과 HAT-P-20에서 조석 또는 자기적 행성-항성 상호작용으로 인해 증가한 항성 활동의 증거가 있는가?
• RQ4 기울기 및 이심률에 대한 조석 감쇠 시간 상수는 시스템의 추정 연령과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 더 차가운 K형 주계열 별을 공전하는 거대한 근접 행성들은 더 뜨거운 별들과 유사한 정렬 경향을 보이는가?

주요 결과

• WASP-43b의 진정한 자전-궤도 기울기는 0°에 가까운 것으로 확인되어, 잘 정렬된 시스템임을 시사한다 (Ψ = 0°).
• HAT-P-20b는 작은 그러나 유의미한 기울기(Ψ = 36°⁻¹²⁺¹⁰)를 보이며, 비공면 궤도임을 시사한다.
• Qatar-2b는 로시터-맥클라우린 효과의 감지가 약간의 일치에 그치지만, 최적의 피팅 결과인 λ = 15° ± 20°는 정렬과 일치한다.
• WASP-43과 HAT-P-20 모두 기대되는 자전 주기 대비 증가된 크로모스피어 활성도(R′HK)를 보이며, 행성-항성 상호작용의 가능성을 시사한다.
• 기울기 감쇠 시간 상수는 시스템의 추정 연령보다 짧아, 조석력이 시간이 지남에 따라 궤도를 재정렬했을 가능성이 있다.
• HAT-P-20b의 이심률(e = 0.0172 ± 0.0016)은 초기 기원일 가능성이 크며, 이는 조석 감쇠 시간 상수(~4 Gyr)가 시스템 연령을 초과하기 때문이다. 반면, WASP-43의 이심률은 1000만 년 이내에 감쇠된 것으로 추정된다.