[논문 리뷰] Transiting exoplanets from the CoRoT space mission XXI. CoRoT-19b: A low density planet orbiting an old inactive F9V-star

E. W. Guenther, R. F. Díaz외 52명|arXiv (Cornell University)|2011. 12. 05.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 29인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 3.897일 주기로 도는 오래되고 비활성적인 F9V형 항성 주위를 공전하는 낮은 밀도의 기체 간행성 CoRoT-19b의 발견을 보고한다. 이 행성의 질량은 1.11 ± 0.06 MJup이고 반지름은 1.29 ± 0.03 RJup이며, 이는 목성보다 약 30% 큰 반지름을 지닌다. 고정밀 CoRoT 저항계수 및 여러 분광기(SOPHIE, HARPS, FIES, SANDIFORD)에서 확보한 다중 라디얼 속도 측정 자료를 바탕으로, 유사한 질량을 지닌 행성임에도 불구하고 반지름이 팽창된 이유를 이해하는 데 중요한 데이터를 제공한다.

ABSTRACT

Observations of transiting extrasolar planets are of key importance to our understanding of planets because their mass, radius, and mass density can be determined. The CoRoT space mission allows us to achieve a very high photometric accuracy. By combining CoRoT data with high-precision radial velocity measurements, we derive precise planetary radii and masses. We report the discovery of CoRoT-19b, a gas-giant planet transiting an old, inactive F9V-type star with a period of four days. After excluding alternative physical configurations mimicking a planetary transit signal, we determine the radius and mass of the planet by combining CoRoT photometry with high-resolution spectroscopy obtained with the echelle spectrographs SOPHIE, HARPS, FIES, and SANDIFORD. To improve the precision of its ephemeris and the epoch, we observed additional transits with the TRAPPIST and Euler telescopes. Using HARPS spectra obtained during the transit, we then determine the projected angle between the spin of the star and the orbit of the planet. We find that the host star of CoRoT-19b is an inactive F9V-type star close to the end of its main-sequence life. The host star has a mass M*=1.21+/-0.05 Msun and radius R*=1.65+/-0.04 Rsun. The planet has a mass of Mp=1.11+/-0.06 Mjup and radius of Rp=1.29+/-0.03 Rjup. The resulting bulk density is only rho=0.71+/-0.06 gcm-3, which is much lower than that for Jupiter. The exoplanet CoRoT-19b is an example of a giant planet of almost the same mass as Jupiter but a 30% larger radius.

연구 동기 및 목표

• 근접한 기체 간행성에서 관측된 팽창된 반지름의 물리적 원인을 이해하기 위해, 특히 질량이 목성과 유사하지만 반지름이 현저히 큰 천체에 대해 연구한다.
• 행성의 연령, 질량, 온도가 다양한 항성 주위를 공전하는 전행 행성의 정밀한 질량 및 반지름 측정치가 부족한 문제를 해결하여 행성 진화 모델을 제약한다.
• 광학적 영역 내 배경의 쌍성은행형이 아닌지 확인함으로써 CoRoT-19b의 행성 성격을 확인한다.
• 로시터-맥클라우린 효과를 통해 천구상의 스핀-오비트 각도(λ)를 측정하여 궤도 정렬성과 행성계의 구조적 역사에 대한 함의를 평가한다.
• 낮은 밀도의 행성으로 구성된 전행 행성계의 고정밀 특성 분석을 통해 대기 및 내부 구조 모델의 이해를 향상시킨다.

제안 방법

• 2010년 3월 5일부터 29일까지 CoRoT 위성의 저항계수 데이터(32초 간격, 3색 데이터)를 분석하여 CoRoT-19 영역 내의 전행 사건을 탐지하고 모델링한다.
• Mandel & Agol(2002)의 경계 어두움을 고려한 전행 모델을 사용하여 전행 광도 곡선을 피팅하기 위해 독립적인 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 및 유전 알고리즘 최적화 기법을 적용한다.
• CoRoT 저항계수 데이터와 다섯 대의 분광기(SOPHIE, HARPS, FIES, SANDIFORD)에서 확보한 고해상도 라디얼 속도 데이터를 융합하여 행성의 질량 및 궤도 파라미터를 결정한다.
• TRAPPIST 및 에이울러 망원경을 이용한 후속 전행 관측을 통해 이포머리스 및 전행 시기 해법을 정밀화한다.
• 전행 중에 HARPS 스펙트럼을 측정하여 로시터-맥클라우린 효과를 탐지하고 천구상의 스핀-오비트 각도(λ)를 측정한다.
• 별진화 모델(Girardi 등 2000)과 베이지안 추정(da Silva 등 2006)을 적용하여 스펙트럼 및 광학적 제약 조건에서 항성의 질량, 반지름, 연령, 금속성도를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CoRoT-19b의 정밀한 질량과 반지름은 얼마이며, 이에 따른 전체 밀도는 어떻게 되는가?
• RQ2 관측된 전행 신호는 행성의 위성에 의한 것인지, 아니면 광학적 영역 내 배경의 쌍성은행형과 같은 가짜 양성 신호인지 여부는 무엇인가?
• RQ3 항성의 자전축과 행성 궤도축 사이의 천구상 각도는 얼마이며, 이는 시스템의 역학적 역사에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 CoRoT-19b의 반지름은 목성과 비교하여 어떻게 되며, 이는 행성 팽창 메커니즘에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 주계항성의 물리적 파라미터는 무엇이며, 이는 행성의 진화적 맥락을 어떻게 설명하는가?

주요 결과

• CoRoT-19b는 질량 1.11 ± 0.06 MJup, 반지름 1.29 ± 0.03 RJup를 지니며, 전체 밀도는 0.71 ± 0.06 g cm⁻³로, 목성의 1.33 g cm⁻³보다 현저히 낮다.
• 주계항성은 오래되고 비활성적인 F9V형 항성으로, 질량 1.21 ± 0.05 M⊙, 반지름 1.65 ± 0.04 R⊙, 추정 연령 5 ± 1 Gyr이다.
• 전행 시기 변화는 관측되지 않았으며 잔차가 예측된 시간 기준 3분 이내에 머물러 있어, 중대한 간섭 없이 안정된 궤도를 공전하고 있음을 시사한다.
• 로시터-맥클라우린 효과는 2.3σ 유의수준에서 약간의 신호로 탐지되었으며, 천구상 스핀-오비트 각도는 λ = −52⁺²⁷₋₂² 도로 도출되어 가능한 오차 정렬을 시사한다.
• CoRoT-19b는 질량은 거의 동일하지만 반지름이 약 30% 큰 낮은 밀도의 팽창된 기체 간행성으로 확인되었으며, 이는 목성보다 약 30% 큰 반지름을 지닌다.
• 행성의 평형 온도는 2000 ± 150 K로, 0.0518 AU의 근접 궤도에서 강한 조명을 받고 있음을 반영한다.