[논문 리뷰] Tracking Advanced Planetary Systems with HARPS-N (TAPAS). I. A multiple planetary system around the red giant star TYC 1422-614-1

A. Niedzielski, E. Villaver외 8명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 22.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 120인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 호비-에버리 리드 텔레스코프와 HARPS-N에서 확보한 도전 속도 측정을 통해 진화한 K2 거성인 TYC 1422-614-1 주위에서 다중 행성계의 발견을 보고한다. 이 시스템은 두 개의 질량이 큰 궤도를 도는 천체를 포함한다: 0.69 AU에서 2.5 M_J의 질량을 가진 행성과 1.37 AU에서 10 M_J의 질량을 가진 백색왜성으로, 이는 거성 주위에서 매우 가까이 있는 거대한 궤도를 도는 천체를 보유한 것으로 알려진 시스템 중 하나이다.

ABSTRACT

Context. Stars that have evolved-off the Main Sequence are crucial in expanding the frontiers of knowledge on exoplanets toward higher stellar masses, and to constrain star-planet interaction mechanisms. These stars, however suffer from intrinsic activity that complicates the interpretation of precise radial velocity measurement and are often avoided in planet searches. We have, over the last 10 years, monitored about 1000 evolved stars for radial velocity variations in search for low-mass companions under the Penn State - Toruń Centre for Astronomy Planet Search with the Hobby-Eberly Telescope. Selected prospective candidates that required higher RV precision meassurements have been followed with HARPS-N at the 3.6 m Telescopio Nazionale Galileo. Aims. To detect planetary systems around evolved stars, to be able to build sound statistics on the frequency and intrinsic nature of these systems, and to deliver in-depth studies of selected planetary systems with evidences of star-planet interaction processes. Methods. We have obtained for TYC 1422-614-1 69 epochs of precise radial velocity measurements collected over 3651 days with the Hobby-Eberly Telescope, and 17 epochs of ultra precise HARPS-N data collected over 408 days. We have complemented these RV data with photometric time-series from the All Sky Automatic Survey archive. Results. We report the discovery of a multiple planetary system around the evolved K2 giant star TYC 1422-614-1. The system orbiting the 1.15 M$_\odot$ star is composed of a planet with mass m$sin i$=2.5 M$_J$ in a 0.69 AU orbit, and a planet/brown dwarf with m$sin i$=10 M$_J$ in a 1.37 AU orbit. The multiple planetary system orbiting TYC 1422-614-1 is the first finding of the TAPAS project, a HARPS-N monitoring of evolved planetary systems identified with the Hobby-Eberly Telescope.

연구 동기 및 목표

• 진화한 별 주위에서 행성계를 탐지하고 특성화함으로써, 행성 형성과 진화에 대한 지식을 넓히기 위해, 특히 높은 별 질량과 복잡한 활동성을 보이는 별을 대상으로 한다.
• 정밀한 도전 속도 측정을 어렵게 만드는 진화한 별의 내재된 별 활동성에 대비한 도전 과제를 해결하기 위해.
• 특히 별-행성 상호작용의 징후를 보이는 별 주위에서 행성계의 빈도와 특성에 대한 통계적 통찰을 구축하기 위해.
• TYC 1422-614-1과 같은 특정 시스템에 대한 깊이 있는 연구를 통해 거대 행성과 백색왜성의 형성 메커니즘을 탐구하기 위해.
• 진화한 별 주위에서 궤도가 가까운 거대한 보조 천체를 형성하는 데 디스크 분열 모델과 핵축적 모델의 타당성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 초기 도전 속도 변동 탐지 목적을 위해 3651일 동안 69개의 도전 속도 에포크를 호비-에버리 리드 텔레스코프(HET)에서 확보하였다.
• 3.6m Telescopio Nazionale Galileo(TNG)에서 408일 동안 17개의 초정밀 HARPS-N 도전 속도 측정치를 확보하여 궤도 파rameters를 확인하고 정밀화하였다.
• 별 활동성을 평가하고 자전 조절 현상을 탐지하기 위해 All Sky Automatic Survey(ASAS)의 광도 시간 시리즈 데이터를 보완하였다.
• 별의 물리적 특성을 결정하기 위해 스펙트럼 분석을 수행하였으며, 광도 조절을 통해 473일의 자전 주기를 확인하였다.
• 도전 속도 데이터에 Keplerian 모델링을 적용하여 다중 행성 신호를 식별하고, 잔차 분석을 통해 추가적인 신호를 분석하였다.
• Hα 지수(IHα)와 광도 변동성을 사용하여 별 활동성이 도전 속도 측정에 미치는 영향을 평가하여, 행성 기원 신호와 별 기원 신호를 구분하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정밀한 도전 속도 모니터링은 높은 내재된 별 활동성을 보이는 진화한 거성 주위에서 행성계를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 TYC 1422-614-1 시스템의 궤도 파rameters와 보조 천체의 최소 질량는 무엇이며, 기존의 알려진 시스템과 비교해 봤을 때 어떻게 다른가?
• RQ3 1.37 AU 거리에서 태양계 금속성 이하의 거성 주위에 거대한 백색왜성이 존재하는 현상을 설명할 수 있는 형성 메커니즘—디스크 분열 또는 핵축적 모델—는 무엇인가?
• RQ4 tidal 상호작용과 궤도 감쇠는 이러한 시스템에서 행성의 장기적 진화에 어떤 영향을 미치며, 언제가 될 것인가?
• RQ5 내부에 거대한 행성이 있고 외부에 거대한 보조 천체가 존재하는 것이 현재의 행성 및 백색왜성 형성 모델에 도전하는가?

주요 결과

• K2 거성인 TYC 1422-614-1 주위에서 도전 속도 변동을 통해 다중 행성계가 발견되었다.
• 내부 보조 천체는 최소 질량 2.5 M_J이며 0.69 AU에서 궤도를 도는 반면, 외부 보조 천체는 최소 질량 10 M_J이며 1.37 AU에서 궤도를 도는 것으로 확인되었다.
• 이 시스템은 거성 주위에서 다중 행성을 가진 것으로 알려진 다섯 개의 시스템 중 하나이며, TAPAS 프로젝트에서 처음으로 발견된 시스템이다.
• ASAS의 별 광도 측정치는 473일의 자전 주기를 확인하였으며, 이는 스펙트로스코픽 추정치와 일치하며, 별_spot의 조절과 일치하는 조절을 보였다.
• 도전 속도와 Hα 데이터에서 장기적이고 약한 잔차 신호가 관측되어, 지속적인 별 활동성 또는 추가적인 미탐지 보조 천체의 존재 가능성을 시사한다.
• tidal 상호작용에 의한 궤도 감쇠로 인해, 두 행성 모두 적색거성의 꼬리에 도달하기 전인 몇 억 년 내로 별에 삼켜질 것으로 예상된다.