[논문 리뷰] Transiting planets from WASP-South, Euler and TRAPPIST: WASP-68 b, WASP-73 b and WASP-88 b, three hot Jupiters transiting evolved solar-type stars

L. Delrez, V. Van Grootel외 20명|Warwick Research Archive Portal (University of Warwick)|2013. 12. 06.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 54인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 WASP-South, Euler, 그리고 TRAPPIST 설문 데이터의 광도 및 스펙트럼적 후속 관측을 통해 세 개의 새로운 전행하는 핫 조프를 발견했다—WASP-68 b, WASP-73 b, 그리고 WASP-88 b. 주요 발견은 WASP-88 b의 초과 팽창된 반지름(1.70 ± 0.13 R_Jup), 고정밀 질량 및 반지름 측정치, 그리고 저금속성과 태양풍 또는 대기加열 메커니즘과 연관된 행성 팽창 증거이다.

ABSTRACT

We report the discovery by the WASP transit survey of three new hot Jupiters, WASP-68 b, WASP-73 b and WASP-88 b. WASP-68 b has a mass of 0.95+-0.03 M_Jup, a radius of 1.24-0.06+0.10 R_Jup, and orbits a V=10.7 G0-type star (1.24+-0.03 M_sun, 1.69-0.06+0.11 R_sun, T_eff=5911+-60 K) with a period of 5.084298+-0.000015 days. Its size is typical of hot Jupiters with similar masses. WASP-73 b is significantly more massive (1.88-0.06+0.07 M_Jup) and slightly larger (1.16-0.08+0.12 R_Jup) than Jupiter. It orbits a V=10.5 F9-type star (1.34-0.04+0.05 M_sun, 2.07-0.08+0.19 R_sun, T_eff=6036+-120 K) every 4.08722+-0.00022 days. Despite its high irradiation (2.3 10^9 erg s^-1 cm^-2), WASP-73 b has a high mean density (1.20-0.30+0.26 ρ_Jup) that suggests an enrichment of the planet in heavy elements. WASP-88 b is a 0.56+-0.08 M_Jup planet orbiting a V=11.4 F6-type star (1.45+-0.05 M_sun, 2.08-0.06+0.12 R_sun, T_eff=6431+-130 K) with a period of 4.954000+-0.000019 days. With a radius of 1.70-0.07+0.13 R_Jup, it joins the handful of planets with super-inflated radii. The ranges of ages we determine through stellar evolution modeling are 4.2-8.3 Gyr for WASP-68, 2.7-6.4 Gyr for WASP-73 and 1.8-5.3 Gyr for WASP-88. WASP-73 appears to be a significantly evolved star, close to or already in the subgiant phase. WASP-68 and WASP-88 are less evolved, although in an advanced stage of core H-burning.

연구 동기 및 목표

• 광도 및 스펙트럼적 후속 관측을 통해 WASP-South, Euler, TRAPPIST 설문에서 새로운 전행하는 외계행성을 식별하고 특성화하기.
• 기본형 태양형 별 주위의 새로운 발견된 핫 조프의 정밀한 질량, 반지름, 궤도 매개변수를 결정하기.
• 특히 저질량·저밀도 행성인 WASP-88 b와 같은 경우에 행성 팽창 메커니즘을 분석함으로써, 항성 금속성과 조사 영향을 고려하여 연구하기.
• 밀도 측정을 통해 대규모 핫 조프인 WASP-73 b의 내부 구조와 중량원소 농축 정도를 평가하기.

제안 방법

• 대상 항성의 광도 변화 곡선에서 행성 전행를 탐지하기 위해 WASP-South, Euler, TRAPPIST 망원경의 전이 광도 측정을 활용하였다.
• 행성의 궤도 질량을 확인하고 결정하기 위해 고정밀 스펙트럼계측기를 사용한 라디얼 속도 측정을 수행하였다.
• 고해상도 스펙트럼을 통한 항성 대기 매개변수 분석을 통해 주변 항성의 효율 온도, 금속성, 표면 중력도를 유도하였다.
• 광도 및 스펙트럼 데이터를 항성 진화 모델과 융합하여 항성의 나이와 진화 단계를 추정하였다.
• 관측된 행성 반지름을 이론적 예측과 비교하기 위해 경험적 반지름-조사 관계식(예: Weiss et al. 2013; Enoch et al. 2011)을 적용하였다.
• 행성 및 항성 매개변수의 후행 분포와 불확실성을 유도하기 위해 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 방법을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최근에 발견된 전행하는 외계행성인 WASP-68 b, WASP-73 b, WASP-88 b의 정밀한 질량, 반지름, 궤도 주기는 무엇인가?
• RQ2 이들 행성의 관측된 반지름은 질량과 조사량에 기반한 이론적 예측과 얼마나 다를까?
• RQ3 저금속성은 WASP-88 b의 팽창된 반지름을 설명하는 데 어떤 역할을 하는가? 특히 저질량과 고반지름을 가진 이 행성의 경우에 대해 설명하라.
• RQ4 tidal 진화와 대기 에너지 투입 메커니즘은 저밀도 핫 조프인 WASP-88 b와 같은 행성의 팽창에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 주변 항성의 진화 상태는 어떠한가? 항성 진화는 행성 매개변수의 해석에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• WASP-68 b는 G0형 항성 주위를 도는 0.95 ± 0.03 M_Jup의 행성으로, 반지름은 1.24 ± 0.10 R_Jup이며, 궤도 주기는 5.084298 ± 0.000015일이다. 이는 질량과 조사량에 비례한 일반적인 반지름을 보인다.
• WASP-73 b는 질량이 1.88 ± 0.07 M_Jup로 매우 무거운 행성으로, 밀도가 1.20 ± 0.26 ρ_Jup로 높아 강한 조사(~2.3 × 10^9 erg s⁻¹ cm⁻²)에도 불구하고 중량원소 농축이 있을 가능성이 있다.
• WASP-88 b는 저밀도이면서 초과 팽창된 행성으로, 질량은 0.56 ± 0.08 M_Jup, 반지름은 1.70 ± 0.13 R_Jup이며, 알려진 전행하는 외계행성 중 두 번째로 낮은 밀도를 가진다(ρ_p = 0.11 ± 0.03 ρ_Jup).
• WASP-88 b의 반지름은 Weiss et al. (2013)과 Enoch et al. (2011)의 예측을 모두 초월하여, 표준 모델을 뛰어넘는 심각한 팽창이 있음을 시사한다.
• 항성 진화 모델링 결과, WASP-73은 약 2.7–6.4 Gyr의 나이로 주로 주거성 단계에 있을 가능성이 높으며, WASP-68과 WASP-88는 덜 진화했지만 핵 수소 연소의 고도로 진행된 단계에 있다(각각 나이 4.2–8.3 Gyr 및 1.8–5.3 Gyr).
• WASP-88의 주변 항성의 저금속성([Fe/H] = –0.08 ± 0.12)은 그 행성의 팽창된 반지름과 상관관계가 있으며, 저금속성 항성은 저질량 행성의 팽창을 더 자주 유도한다는 가설을 지지한다.