[논문 리뷰] The GAPS Programme with HARPS-N at TNG XVI: Measurement of the Rossiter-McLaughlin effect of the transiting planetary systems HAT-P-3, HAT-P-12, HAT-P-22, WASP-39 and WASP-60

L. Mancini, M. Esposito외 44명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 12.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 94인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 TNG 망원경에 장착된 HARPS-N의 고정밀 도약속도 데이터를 사용하여 다섯 개의 전행 외계행성계(HAT-P-3b, HAT-P-12b, HAT-P-22b, WASP-39b, WASP-60b)에서 로시터-맥클라우린 효과를 측정하여 천구상 궤도 기울기(스ky-projected orbital obliquities)를 결정한다. 연구 결과, WASP-60b는 역행 궤도에 있으며($\lambda = -129^\circ \pm 17^\circ$), HAT-P-22b의 진짜 기울기 각도는 $\psi = 24^\circ \pm 18^\circ$이며, WASP-60의 재측정된 물리적 파라미터는 이전보다 더 질량이 크고, 더 어린 별, 더 크고 더 뜨거운 행성임을 나타낸다.

ABSTRACT

We characterised five transiting planetary systems (HAT-P-3, HAT-P-12, HAT-P-22, WASP-39 and WASP-60) and determined their sky-projected planet orbital obliquity through the measurement of the RM effect. We used HARPS-N high-precision radial velocity measurements, gathered during transit events, to measure the RM effect in the target systems and determine the sky-projected angle between the planetary orbital plane and the stellar equator. The characterisation of stellar atmospheric parameters was performed exploiting the HARPS-N spectra, using line equivalent width ratios, and spectral synthesis methods. Photometric parameters of the five transiting exoplanets were re-analysed through 17 new light curves, obtained with an array of medium-class telescopes, and other light curves from the literature. Survey-time-series photometric data were analysed for determining the rotation periods of the five stars and their spin inclination. From the analysis of the RM effect we derived a sky-projected obliquity of 21.2 degree, -54 degree, -2.1 degree, 0 degree and -129 degree for HAT-P-3b, HAT-P-12b, HAT-P-22b, WASP-39b and WASP-60b, respectively. The latter value indicates that WASP-60b is moving on a retrograde orbit. These values represent the first measurements of λfor the five exoplanetary systems under study. The stellar activity of HAT-P-22 indicates a rotation period of 28.7 days, which allowed us to estimate the true misalignment angle of HAT-P-22b, ψ=24 degree. The revision of the physical parameters of the five exoplanetary systems returned values that are fully compatible with those existing in the literature. The exception to this is the WASP-60 system, for which, based on higher quality spectroscopic and photometric data, we found a more massive and younger star and a larger and hotter planet.

연구 동기 및 목표

• 로시터-맥클라우린 효과를 사용하여 다섯 개의 전행 외계행성계의 천구상 기울기($\lambda$)를 측정하기.
• 행성 궤도 운동량과 항성 자전 축 간의 정렬 상태를 조사하여 행성계 형성 및 이동 메커니즘을 탐구하기.
• 고정밀 광도 및 스펙트로스코픽 데이터를 사용하여 주계성과 행성의 물리적 파라미터를 재평가하기.
• 항성 자전 주기가 측정 가능한 시스템에서 진짜 기울기 각도($\psi$)를 결정하기.
• 불완전한 전행 광도 곡선이 전행 파라미터 추정에 미치는 영향, 특히 WASP-60b의 경우를 평가하기.

제안 방법

• 전행 사건 동안 HARPS-N에서 확보한 고정밀 도약속도 측정을 통해 로시터-맥클라우린 효과를 탐지하기.
• HARPS-N 스펙트럼에 기반한 선형 등가폭 비율과 스펙트럼 합성 방법을 사용하여 항성 대기 파라미터를 유도하기.
• 중형 망원경에서 확보한 17개의 새로운 광도 곡선과 문헌 자료를 조합하여 전행 파라미터를 재분석하기.
• 광도 시계열 분석을 통해 항성 자전 주기와 자전 기울기 각도를 결정하기.
• HAT-P-22의 자전 주기를 사용하여 천구상 기울기($\lambda$)에서 진짜 기울기 각도($\psi$)를 계산하기.
• Southworth(2012) 방법을 사용하여 일관성을 확보하기 위해 행성 및 항성 파라미터를 통합적으로 재분석하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HAT-P-3, HAT-P-12, HAT-P-22, WASP-39, WASP-60 행성계의 천구상 기울기($\lambda$)는 무엇인가?
• RQ2 WASP-60b의 행성 궤도는 역행인가? 이는 그 형성력사에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 HAT-P-22b의 진짜 기울기 각도($\psi$)는 무엇이며, 천구상 기울기와 비교해보면 어떻게 되는가?
• RQ4 다시 평가된 광도 및 스펙트로스코픽 데이터는 WASP-60 시스템의 물리적 파라미터 추정치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 불완전한 전행 광도 곡선은 행성 및 항성 파라미터 추정치에 얼마나 심각한 편향을 초래하는가?

주요 결과

• HAT-P-3b의 천구상 기울기는 $\lambda = 21.2^\circ \pm 8.7^\circ$이며, 항성 자전과 거의 정렬되어 있음을 나타낸다.
• HAT-P-12b는 천구상 기울기가 $\lambda = -54^\circ{}^{+41^\circ}_{-13^\circ}$이며, 상당한 기울기 오차를 나타낸다.
• HAT-P-22b는 천구상 기울기가 $\lambda = -2.1^\circ \pm 3.0^\circ$이며, 정렬과 일치하고, 28.7 ± 0.4일의 자전 주기를 기반으로 진짜 기울기 각도 $\psi = 24^\circ \pm 18^\circ$를 유도하였다.
• WASP-39b는 천구상 기울기가 $\lambda = 0^\circ \pm 11^\circ$이며, 거의 정렬되어 있음을 나타낸다.
• WASP-60b는 $\lambda = -129^\circ \pm 17^\circ$로 역행 궤도에 있으며, 재측정된 파라미터는 이전보다 더 질량이 크고, 더 어린 별, 더 크고 더 뜨거운 행성임을 나타낸다.
• WASP-60b의 전행 깊이가 발견 논문보다 약 33% 더 깊어, 불완전한 광도 곡선이 광도 파라미터 추정에 심각한 오류를 초래할 수 있음을 시사한다.