[논문 리뷰] The GAPS Programme with HARPS-N@TNG XIV. Investigating giant planet migration history via improved eccentricity and mass determination for 231 transiting planets

A. S. Bonomo, S. Desidera외 35명|Max Planck Institute for Plasma Physics|2017. 04. 02.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 146인용 수 64

한 줄 요약

베이지안 일관된 RV 데이터 분석(문헌 + 782 HARPS-N 측정)으로 231개의 트랜짓 거대 행성을 대상으로 궤도, 행성 및 항성 매개변수를 정제하고 이심률 및 이동 이력에 중점을 둠.

ABSTRACT

We carried out a Bayesian homogeneous determination of the orbital parameters of 231 transiting giant planets (TGPs) that are alone or have distant companions; we employed DE-MCMC methods to analyse radial-velocity (RV) data from the literature and 782 new high-accuracy RVs obtained with the HARPS-N spectrograph for 45 systems over 3 years. Our work yields the largest sample of systems with a transiting giant exoplanet and coherently determined orbital, planetary, and stellar parameters. We found that the orbital parameters of TGPs in non-compact planetary systems are clearly shaped by tides raised by their host stars. Indeed, the most eccentric planets have relatively large orbital separations and/or high mass ratios, as expected from the equilibrium tide theory. This feature would be the outcome of high-eccentricity migration (HEM). The distribution of $α=a/a_R$, where $a$ and $a_R$ are the semi-major axis and the Roche limit, for well-determined circular orbits peaks at 2.5; this also agrees with expectations from the HEM. The few planets of our sample with circular orbits and $α>5$ values may have migrated through disc-planet interactions instead of HEM. By comparing circularisation times with stellar ages, we found that hot Jupiters with $a < 0.05$ au have modified tidal quality factors $10^{5} < Q'_p < 10^{9}$, and that stellar $Q'_s > 10^{6}-10^{7}$ are required to explain the presence of eccentric planets at the same orbital distance. As a by-product of our analysis, we detected a non-zero eccentricity for HAT-P-29; we determined that five planets that were previously regarded to have hints of non-zero eccentricity have circular orbits or undetermined eccentricities; we unveiled curvatures caused by distant companions in the RV time series of HAT-P-2, HAT-P-22, and HAT-P-29; and we revised the planetary parameters of CoRoT-1b.

연구 동기 및 목표

• 231개의 알려진 트랜짓 거대 행성에 대한 일관된 궤도 및 물리적 매개변수 집합을 결정한다.
• 베이지안 DE-MCMC 접근법을 사용하여 궤도 이심률과 그 불확실성을 정량화하고 정제한다.
• 관측된 이심률과 분리도에 영향을 미치는 조성적 진화 및 이동 시나리오를 조사한다.
• 먼 먼 동반자인 RV 추세를 식별하고 행성/계 시스템 매개변수를 업데이트한다.
• 조석 품질 인자에 대한 제약을 제공하고 행성 이동 경력에 대한 함의를 평가한다.

제안 방법

• 시스템당 최소 4개의 측정치를 가진 문헌 RV 데이터 세트를 수집하고 45개 시스템에 대해 782개의 HARPS-N RV를 추가한다.
• 장기 기울임 또는 곡선 추세를 고려한 이심의 외부 동반자나 활동 주기를 설명하기 위해 Keplerian 모델로 RV 데이터를 피팅한다.
• 궤도 매개변수의 뒤벌 분포를 샘플링하기 위해 차등 진화 마코프 체인 몬테카를로(DE-MCMC)를 사용한다.
• e cos ω와 e sin ω를 제한하기 위해 전이 시점 Tc, 주기 P 및 보조 식 타임 Te에 대한 사전 정보를 도입한다.
• 이심률에 대한 올바른 선험분포를 보장하기 위해 제이콥-자연 파라미터화를 채택하고, 베이지안 모델 선택을 Bayes 인자를 통해 진행하여 원 circular 대 eccentric 궤도 여부를 결정한다.
• RV 결과를 문헌 트랜짓 및 항성 매개변수와 결합하여 행성 질량, 밀도 및 중력을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 문헌 데이터와 새로운 HARPS-N 관측치를 결합하여 231개의 트랜짓 거대 행성의 정확한 궤도 이심률은 얼마인가?
• RQ2 조석 상호작용과 이동 메커니즘(고이심률 이주 대 디스크 이주)이 핫/웜 자이퍼의 관측 이심률과 반지름 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 샘플 전체를 균일하게 분석할 때 업데이트된 행성 질량, 밀도 및 표면 중력은 무엇인가?
• RQ4 RV 시간계열에 먼 동반자를 시사하는 장기 추세나 곡선이 보이는가? 그렇다면 이것이 유도된 궤도 해법에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 조석 품질 인자(Q′p, Q′s)와 항성 연령에 대해 이완 시간에 대한 제약은 무엇이며, 이로써 이심률 행성의 존재를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 비촬영 비압축 TGP의 이심률은 조석에 의해 궤도가 형성되는 경향과 일치하며, 이는 고이심률 경로에서의 이동을 시사한다.
• 궤도 잘 결정된 원형 궤도의 분포를 나타내는 α = a / aR의 분포는 대략 2.5 근처에서 피크를 이루며 고이심률 이주 시나리오와 호환된다.
• a < 0.05 au인 핫 자이퍼는 관측된 이심률을 설명하기 위해 행성의 수정된 조석 품질 인자 10^5 ≲ Q′p ≲ 10^9 및 항성 Q′s ≳ 10^6–10^7이 필요함을 시사한다.
• HAT-P-29에 대해 비제로 이심률 e = 0.104−0.018+0.021이 검출되었고, 한때 이심률이 있다고 여겨졌던 여러 행성들(CoRoT-2b, CoRoT-23b, TrES-3b, HAT-P-23b, WASP-54b)은 이제 원형 또는 이심률이 확정되지 않았다.
• RV 데이터의 곡선과 장기 추세는 HAT-P-2, HAT-P-22, HAT-P-29와 같은 시스템에서 먼 동반자의 존재를 시사하며, HAT-P-17c의 궤도 해법이 크게 개선되었다; CoRoT-1b의 반지름이 이전 보고보다 더 팽창되어 있다.