[논문 리뷰] The GAPS Programme with HARPS-N@TNG IX. The multi-planet system KELT-6: detection of the planet KELT-6 c and measurement of the Rossiter-McLaughlin effect for KELT-6 b

M. Damasso, M. Esposito외 40명|Keele Research Repository (Keele University)|2015. 08. 26.

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한 줄 요약

이 연구는 KELT-6 시스템에서 KELT-6 c라는 두 번째 행성을 HARPS-N 및 TRES를 이용한 도전 속도 모니터링을 통해 확인하였으며, KELT-6 b에 대한 로시터-맥클라우린 효과의 첫 측정을 보고하여, 그 궤도가 약간 기울어진 후행 궤도임을 밝혀내었다. 이는 투영된 스핀-궤도 각도가 −36° ± 11°임을 시사한다. 시스템은 핫-토이와 주기 3.5년, 중간 정도의 이심률을 가지는 질량이 큰 외부 공전 천체를 수반하며, 이는 단기적 상호작용을 통한 행성계의 구조 및 천체 역학적 진화에 대한 사례 연구를 제공한다.

ABSTRACT

Aims. For more than 1.5 years we monitored spectroscopically the star KELT-6 (BD+312447), known to host the transiting hot Saturn KELT-6b, because a previously observed long-term trend in radial velocity time series suggested the existence of an outer companion. Methods. We collected a total of 93 new spectra with the HARPS-N and TRES spectrographs. A spectroscopic transit of KELT-6b was observed with HARPS-N, and simultaneous photometry was obtained with the IAC-80 telescope. Results. We proved the existence of an outer planet with a mininum mass M$_{ m p}$sini=3.71$\pm$0.21 M$_{ m Jup}$ and a moderately eccentric orbit ($e=0.21_{-0.036}^{+0.039}$) of period P$\sim$3.5 years. We improved the orbital solution of KELT-6b and obtained the first measurement of the Rossiter-McLaughlin effect, showing that the planet has a likely circular, prograde, and slightly misaligned orbit, with a projected spin-orbit angle $λ$=$-$36$\pm$11 degrees. We improved the KELT-6b transit ephemeris from photometry, and we provided new measurements of the stellar parameters. KELT-6 appears as an interesting case to study the formation and evolution of multi-planet systems.

연구 동기 및 목표

• KELT-6 b가 전행하는 것으로 알려진 별에서 장기적인 도전 속도 추세의 존재를 조사하기 위해.
• 관측된 RV 추세의 원인이 되는 잠재적인 외부 행성 공전 천체를 탐지하고 특성화하기 위해.
• KELT-6 b의 궤도 방향이 항성의 스핀 축에 대해 어떻게 배치되어 있는지, 로시터-맥클라우린 효과를 측정하여 밝혀내기 위해.
• 스펙트로스코픽 및 광도 데이터를 통합하여 KELT-6 b의 궤도 및 항성 파라미터를 향상시키기 위해.
• 장기적인 천체 역학적 안정성과 시스템의 진화 역사에 대해, 단기적 중력 상호작용 모델을 사용하여 평가하기 위해.

제안 방법

• 1178일 동안 TNG의 HARPS-N 스펙트로그래프와 Tillinghast 망원경의 TRES 스펙트로그래프를 사용하여 93개의 고정밀 도전 속도 스펙트럼을 수집하였다.
• KELT-6 b의 전행 기간 동안 IAC-80 망원경을 사용하여 동시에 광도 모니터링을 수행하여 전행 시기 및 깊이 분석을 지원하였다.
• 도전 속도 및 광도 데이터로부터 궤도 및 항성 파라미터의 불확실성을 유도하기 위해 부트스트랩 방법을 적용하였다.
• 행성 전행 중 다프너 시프트 조절을 고려한 모델을 사용하여 로시터-맥클라우린 효과를 피팅함으로써, 투영된 스핀-궤도 각도를 측정하였다.
• 공면 고이심도 이동 모델(CHEM)을 테스트하여 시스템의 구조 기원을 평가하였다.
• 임의의 이심도 및 상호 기울기를 가진 이중 행성계에 대해 Petrovich(2015b)의 경험적 관계를 사용하여 장기적인 천체 역학적 안정성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 KELT-6의 장기적인 도전 속도 추세는 질량이 큰 외부 행성의 존재를 시사하는가?
• RQ2 로시터-맥클라우린 효과를 통해 측정한 KELT-6 b의 궤도 방향은 주변 항성의 스핀 축에 대해 어떻게 되어 있는가?
• RQ3 현재 KELT-6 b와 KELT-6 c의 궤도 구성은 외부 공전 천체와의 단기적 중력 상호작용으로 설명될 수 있는가?
• RQ4 KELT-6 시스템의 천체 역학적 안정성 수명은 기간이 수백만 년에 이르는가?
• RQ5 행성-행성 스캐터링과 tidal circularization를 통해 현재 상태로 진화하기 위해 필요한 초기 조건는 무엇인가?

주요 결과

• KELT-6 c라는 두 번째 행성이 최소 질량 3.71 ± 0.21 $M_{\rm Jup}$, 궤도 주기 약 3.5년으로 확인되었다.
• KELT-6 c의 궤도는 중간 정도의 이심도를 가지며, $e = 0.21_{-0.036}^{+0.039}$로서, 공면 고이심도 이동 모델의 예측과 일치한다.
• KELT-6 b에 대한 로시터-맥클라우린 효과 측정 결과, 투영된 스핀-궤도 각도는 $\lambda = -36^\circ \pm 11^\circ$로 나타나, 후행 궤도이자 약간 기울어진 궤도임을 시사한다.
• KELT-6 b의 개선된 궤도 해법은 원형 궤도를 보이며, 새로운 광도 데이터를 사용하여 전행 이포크스가 정밀하게 보정되었다.
• 시스템의 천체 역학적 안정성은 수십만 년 이상에 걸쳐 확인되었으며, Petrovich(2015b)의 경험적 안정성 기준이 잘 충족되었다.
• 수정된 tidal 질량 계수 $Q'^\prime_{\rm p} = 10^5$ 하에서 KELT-6 b의 원형화 시간은 약 0.45 Gyr로 추정되어, 초기 고이심도 이동 이후 궤도가 원형으로 둥글어졌을 가능성이 높다.