[논문 리뷰] Two Bright M Dwarfs Hosting Ultra-Short-Period Super-Earths with Earth-like Compositions

Teruyuki Hirano, John H. Livingston외 59명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 23.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 145인용 수 31

한 줄 요약

이 연구는 TESS 저광도 영상 및 지상 기반의 라디얼 속도(RV) 측정을 통해 밝은 M형 항성 주위를 도는 초단주기(USP) 지구형 행성 두 개인 TOI-1634b와 TOI-1685b를 확인하였다. 이 행성들은 지구 유사 조성으로, 질량은 각각 10.14 ± 0.95 M⊕ 및 3.43 ± 0.93 M⊕, 반지름은 각각 1.749 ± 0.079 R⊕ 및 1.459 ± 0.065 R⊕, 궤도 주기는 각각 0.9893436 ± 0.0000020일 및 0.6691416 ± 0.0000019일로, 반지름 골짜기 근처에 위치해 있으며, 암석성 행성 형성과 대기 진화 연구에 있어 핵심 대상이 된다.

ABSTRACT

We present observations of two bright M dwarfs (TOI-1634 and TOI-1685: $J=9.5-9.6$) hosting ultra-short period (USP) planets, identified by the TESS mission. The two stars are similar in temperature, mass, and radius ($T_\mathrm{eff}\,\approx\,3500$ K, $M_\star\,\approx\,0.45-0.46\,M_\odot$, and $R_\star\approx 0.45-0.46\,R_\odot$), and the planets are both super-Earth-sized ($1.25\,R_\oplus<R_p<2.0\,R_\oplus$). For both systems, light curves from the ground-based photometry exhibit planetary transits, whose depths are consistent with those by the TESS photometry. We also refine the transit ephemerides based on the ground-based photometry, finding the orbital periods of $P=0.9893436\pm0.0000020$ day and $P=0.6691416\pm0.0000019$ day for TOI-1634b and TOI-1685b, respectively. Through intensive radial velocity (RV) observations using IRD on the Subaru 8.2m telescope, we confirm the planetary nature of the TOIs, and measure their masses: $10.14\pm0.95\,M_\oplus$ and $3.43\pm0.93\,M_\oplus$ for TOI-1634b and TOI-1685b, respectively, when the observed RVs are fitted with a single-planet circular-orbit model. Combining those with the planet radii of $R_p=1.749\pm 0.079\,R_\oplus$ (TOI-1634b) and $1.459\pm0.065\,R_\oplus$ (TOI-1685b), we find that both USP planets have mean densities consistent with an Earth-like internal composition, which is typical for small USP planets. TOI-1634b is currently the most massive USP planet in this category, and it resides near the radius valley, which makes it a benchmark planet in the context of discussing the size limit of rocky planet cores as well as testing the formation scenarios for USP planets. Excess scatter in the RV residuals for TOI-1685 suggests the presence of a possible secondary planet or unknown activity/instrumental noise in the RV data, but further observations are required to check those possibilities.

연구 동기 및 목표

• TESS가 밝은 M형 항성 주위에서 식별한 초단주기(USP) 행성 후보자 두 개의 행성 성격을 확인하기 위해.
• 행성의 질량과 반지름을 측정하여 내부 조성을 평가하기 위해.
• 지상 기반의 영상 및 라디얼 속도 데이터를 이용해 궤도 이포메리스를 정밀화하기 위해.
• RV 잔차 분석을 통해 추가 행성 또는 항성 활동의 잠재적 존재를 평가하기 위해.
• 특히 제임스 웹 우주망원경(JWST)을 통해 향후 대기 특성 분석을 위한 고도의 우선 대상으로 이 시스템을 식별하기 위해.

제안 방법

• 두 개의 밝은 M형 항성(TOI-1634 및 TOI-1685)의 광도 변화 곡선에서 TESS 위성 기반 영상 데이터를 활용해 행성 전행을 탐지하였다.
• 전행 깊이와 이포메리스를 보정하고 확인하기 위해 지상 기반 영상 측정을 수행하여 TESS 데이터와의 일관성을 확인하였다.
• Subaru 8.2m 망원경에 탑재된 IRD 스펙트로그래프를 사용해 강력한 라디얼 속도(RV) 측정을 수행하여 행성 신호의 확인 및 질량 측정을 수행하였다.
• 행성 질량과 반지름을 유도하기 위해 RV 데이터를 단일 행성 원형 궤도 모델에 적합시켜 밀도 및 조성 분석을 가능하게 하였다.
• RV 잔차를 주기도 분석 및 베이지안 정보 기준(BIC)을 사용해 추가 행성 또는 항성 활동의 가능성 여부를 평가하였다.
• 질량과 반지름 측정치를 통합하여 평균 밀도를 계산하고, 이론적 지구 유사 조성 모델과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밝은 M형 항성 주위의 두 개의 USP 행성 후보자는 암석성 지구 유사 조성과 일치하는 행성 질량을 가지는가?
• RQ2 지상 기반 영상 데이터로 정밀화된 결과, TOI-1634b와 TOI-1685b의 정밀한 궤도 주기와 전행 이포메리스는 무엇인가?
• RQ3 이 시스템의 라디얼 속도 잔차에서 추가 행성 또는 항성 활동의 증거가 있는가?
• RQ4 이 행성들의 질량과 반지름은 암석성 행성 내부의 이론적 모델과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 이 시스템은 향후 발광 스펙트럼 분석을 통해 대기 특성 분석에 적합한 대상인가?

주요 결과

• TOI-1634b는 질량 10.14 ± 0.95 M⊕, 반지름 1.749 ± 0.079 R⊕를 가지며, 평균 밀도가 지구 유사 조성과 일치한다.
• TOI-1685b는 질량 3.43 ± 0.93 M⊕, 반지름 1.459 ± 0.065 R⊕를 가지며, 역시 지구 유사 내부 구조와 일치한다.
• 궤도 주기는 각각 TOI-1634b에 대해 0.9893436 ± 0.0000020일, TOI-1685b에 대해 0.6691416 ± 0.0000019일로 정밀화되었다.
• 두 행성 모두 이론적 반지름 골짜기 근처에 위치해 있으며, 지구 유사 조성의 가장 질량이 큰 USP 행성 중 하나이다.
• TOI-1685의 RV 잔차에서 과도한 산란이 관측되어 추가 행성 또는 항성 활동의 가능성이 제기되나, 추가 관측이 필요하다.
• 이 시스템들은 현재까지 알려진 USP 지구형 행성의 주위에 가장 밝은 항성을 수반한 것으로, 향후 JWST 및 기타 대형 입구 망원경을 활용한 대기 연구의 최우선 대상이다.