[논문 리뷰] The mass of planet GJ676A b from ground-based astrometry: A planetary system with two mature gas giants suitable for direct imaging

J. Sahlmann, P. F. Lazorenko외 11명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 02.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 75인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 VLT/FORS2 장비를 이용한 지상에서의 천체운동 측정을 통해 외계행성 GJ 676A b의 진짜 질량을 결정하였으며, 질량은 6.7⁺¹.⁸₋₁.₅ M_J로 도출되었고, 이는 반경속도 측정에서 유도된 최소 질량보다 40% 높다. 이 작업은 시스템 내 두 개의 기체 행성인 b와 c를 확인하였으며, 이들은 큰 투영 분리거리와 성숙한 연령 덕분에 향후 WFIRST와 같은 미션을 통한 직접 영상 촬영의 주요 대상이 될 수 있다.

ABSTRACT

GJ676A is an M0 dwarf hosting both gas-giant and super-Earth-type planets discovered with radial-velocity measurements. Using FORS2/VLT, we obtained position measurements of the star in the plane of the sky that tightly constrain its astrometric reflex motion caused by the super-Jupiter planet `b` in a 1052-day orbit. This allows us to determine the mass of this planet to $M_\mathrm{b} = 6.7^{+1.8}_{-1.5}\,M_\mathrm{J}$, which is $\sim$40 \% higher than the minimum mass inferred from the radial-velocity orbit. Using new HARPS radial-velocity measurements, we improve upon the orbital parameters of the inner low-mass planets `d` and `e` and we determine the orbital period of the outer giant planet `c` to $P_\mathrm{c}=7340$ days under the assumption of a circular orbit. The preliminary minimum mass of planet `c` is $M_\mathrm{c} \sin i = 6.8\,M_\mathrm{J}$ with an upper limit of $\sim$$39\,M_\mathrm{J}$ that we set using NACO/VLT high-contrast imaging. We also determine precise parallaxes and relative proper motions for both GJ676A and its wide M3 companion GJ676B. Despite the probably mature age of the system, the masses and projected separations ($\sim$0.1" -- 0.4") of planets `b` and `c` make them promising targets for direct imaging with future instruments in space and on extremely large telescopes. In particular, we estimate that GJ676A b and GJ676A c are promising targets for directly detecting their reflected light with the WFIRST space mission. Our study demonstrates the synergy of radial-velocity and astrometric surveys that is necessary to identify the best targets for such a mission.

연구 동기 및 목표

• 고정밀 지상 천체운동 측정을 이용해 외계행성 GJ 676A b의 진짜 질량을 결정하는 것.
• 새로운 HARPS 반경속도 데이터를 활용해 내부의 초지구형 행성 d와 e의 궤도 파ram을 향상시키는 것.
• 원형 궤도를 가정할 때 외부 기체 행성 c의 궤도 주기와 최소 질량을 제약하는 것.
• 고대비 NACO/VLT 영상 측정을 통해 행성 c의 질량 상한선을 설정하는 것.
• 미래의 우주 및 지상 기반 망원경을 통한 반사 빛과 열복사의 직접 영상 촬영 가능성에 대해 시스템의 적합성을 평가하는 것.

제안 방법

• 2010~2012년 동안 VLT의 FORS2 장비를 이용해 GJ 676A의 고정밀 천체운동 측정을 수행하여, 각 측정의 정밀도가 약 0.1 mas 수준이 되도록 하였다.
• 천체운동 데이터를 HARPS의 반경속도 측정 데이터와 융합하여 궤도 해를 개선하고 궤도 기울기를 결정하는 데 사용하였다.
• 측정된 천체운동 반사 운동을 바탕으로 궤도 기하학을 이용해 행성 b의 진짜 질량을 유도하였으며, 반경속도 방법에서 내재된 기울기의 다중해 문제를 보정하였다.
• NACO/VLT를 이용한 고대비 영상 측정을 통해 행성 c의 질량 상한선을 약 ~39 M_J로 설정하였으며, 이는 최소 질량 6.8 M_J sin i와 일치하였다.
• GJ 676A와 그 넓은 M3 형성별인 GJ 676B의 정확한 일출각과 상대적 운동량을 결정하였다.
• 프로젝션 분리거리와 시스템 연령을 바탕으로 WFIRST를 통한 반사 빛 탐지의 신호 대 잡음비를 추정하여, 시스템의 직접 영상 촬영 잠재력을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외계행성 GJ 676A b의 진짜 질량은 얼마이며, 반경속도 측정에서 유도된 최소 질량과 비교해 볼 때 어떻게 다를까?
• RQ2 외부 기체 행성 c의 궤도 주기와 최소 질량은 얼마이며, 그 기울기와 질량에 대해 어떤 제약 조건을 둘 수 있을까?
• RQ3 NACO/VLT를 이용한 고대비 영상 측정을 통해 행성 c의 질량 상한선를 설정할 수 있는가?
• RQ4 천체운동 측정과 반경속도 데이터가 함께 작용할 때, 행성계의 궤도 이정표가 어떻게 향상되는가?
• RQ5 GJ 676A 시스템의 외부 기체 행성들은 향후 WFIRST과 같은 미션을 통한 반사 빛의 직접 영상 촬영에 적합한 대상이 될 수 있는가?

주요 결과

• 행성 GJ 676A b의 진짜 질량은 6.7⁺¹.⁸₋₁.₅ M_J로 결정되었으며, 이는 반경속도 측정에서 유도된 최소 질량 4.9 M_J보다 40% 높은 값이다.
• 원형 궤도를 가정할 경우 행성 c의 궤도 주기는 7340일로 제약되었으며, 최소 질량은 6.8 M_J sin i이다.
• NACO/VLT 고대비 영상 측정을 통해 행성 c의 질량 상한선을 약 ~39 M_J로 설정하였으며, 이는 그것이 백색왜성일 가능성이 낮음을 시사한다.
• 이 시스템의 외부 행성인 b와 c는 약 0.1–0.4 초초분의 분리거리를 가지며, 향후 기구를 통한 직접 영상 촬영에 매우 유망한 대상이다.
• 시스템의 성숙한 연령(~1 Gyr)과 큰 투영 분리거리는 GJ 676A b와 c가 WFIRST 우주 미션을 통한 반사 빛의 직접 탐지에 적합한 대상임을 시사한다.
• 반경속도와 천체운동 조사의 융합이 고대비 영상 미션의 최적 대상 식별에 필수적임을 입증하였다.