[논문 리뷰] WASP-189b: an ultra-hot Jupiter transiting the bright A star HR 5599 in a polar orbit

D. R. Anderson, L. Y. Temple외 19명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 13.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 1인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 밝은 A6IV–V형 항성 HR 5599(비스마그니튜드 V = 6.64)을 도는 2.72일 주기의 극궤도를 도는 초온화성 목성형 exoplanet WASP-189b의 발견을 보고한다. 이 행성은 질량 2.13 ± 0.28 M_Jup, 반지름 1.374 ± 0.082 R_Jup이며, 예측된 평형온도 2641 ± 34 K로, 알려진 행성 중 세 번째로 뜨거운 것으로, 초온화성 목성형 행성이다. 행성은 전이 광도 측정을 통해 탐지되었고, HARPS 및 CORALIE 스펙트로그래프를 이용한 라디얼 속도 및 선형형태 톰그래피를 통해 확인되었으며, 이는 T_eff > 7000 K인 항성 주위에서 처음으로 발견된 초온화성 목성형 행성의 극궤도이기도 하다.

ABSTRACT

We report the discovery of WASP-189b: an ultra-hot Jupiter in a 2.72-d transiting orbit around the $V = 6.6$ A star WASP-189 (HR 5599). We detected periodic dimmings in the star's lightcurve, first with the WASP-South survey facility then with the TRAPPIST-South telescope. We confirmed that a planet is the cause of those dimmings via line-profile tomography and radial-velocity measurements using the HARPS and CORALIE spectrographs. Those reveal WASP-189b to be an ultra-hot Jupiter ($M_{ m P}$ = 2.13 $\pm$ 0.28 $M_{ m Jup}$; $R_{ m P}$ = 1.374 $\pm$ 0.082 $R_{ m Jup}$) in a polar orbit ($λ= 89.3 \pm 1.4^\circ$; $Ψ= 90.0 \pm 5.8^\circ$) around a rapidly rotating A6IV-V star ($T_{ m eff}$ = 8000 $\pm$ 100 K; $v_* \sin i_*$ $\approx$ 100 km\, s$^{-1}$). We calculate a predicted equilibrium temperature of $T_{ m eql}$ = 2641 $\pm$ 34 K, assuming zero albedo and efficient redistribution, which is the third hottest for the known exoplanets. WASP-189 is the brightest known host of a transiting hot Jupiter and the third-brightest known host of any transiting exoplanet. We note that of the eight hot-Jupiter systems with $T_{ m eff}$ $>$ 7000 K, seven have strongly misaligned orbits, and two of the three systems with $T_{ m eff}$ $\geq$ 8000 K have polar orbits (the third is aligned).

연구 동기 및 목표

• 폭넓고 흐린 스펙트럼 선을 가진 빠르게 회전하는 A형 항성 주위에서 행성을 탐지하고 특성화하는 것. 이러한 항성들은 희귀하며, 분석하기 어려운 특성을 지님.
• T_eff > 7000 K인 항성 주위의 초온화성 목성형 행성의 궤도 구조 및 정렬 상태를 연구함으로써, 행성계 진화 및 tidal 상호작용의 맥락을 탐구하는 것.
• 초온화성 목성형 행성의 가장 밝은 주변 항성 주위에서 전이 행성을 식별하고 확인함으로써 향후 대기 특성 분석을 가능하게 하는 것.
• 고질량, 고온의 항성 환경에서 행성 형성의 코어 축적 모델을 검증하기 위해, 행성 발생 빈도 및 궤도 특성을 측정하는 것.

제안 방법

• HR 5599의 광도곡선에서 주기적인 어둠이 관측되는 것을 확인하기 위해 WASP-South 및 TRAPPIST-South 망원경을 이용한 전이 광도 측정.
• HARPS 및 CORALIE 스펙트로그래프를 이용한 라디얼 속도 측정을 통해 행성 질량과 궤도 운동을 확인.
• 행성 신호가 항성 흡수선 내에서 감지되는 것을 확인하기 위해 선형형태 톰그래피를 수행하여 전이 신호의 행성 기원을 확인.
• 스펙트로스코픽 분석을 통해 항성 파rameter를 결정하여 T_eff = 8000 ± 100 K, v*sin i* ≈ 100 km/s, 스펙트럼형 A6IV–V를 유도.
• 투영된 스핀-궤도 각도(λ = 89.3 ± 1.4°) 및 천구상 투영 궤도 기울기(Ψ = 90.0 ± 5.8°)를 사용하여 궤도 기울기 및 기울기 각도를 계산하여 극궤도를 확인.
• 알베도가 0이고 열이 효율적으로 재분포된다고 가정할 때, T_eq = T_eff × (1 - A)^{1/4} × (R*/a)^{1/2} 공식을 사용하여 평형온도를 추정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WASP-189b의 궤도 구조는 어떻게 되어 있으며, 빠르게 회전하는 A형 항성 주위의 극궤도와 일치하는가?
• RQ2 WASP-189b의 높은 평형온도(T_eq = 2641 ± 34 K)는 다른 알려진 초온화성 목성형 행성들과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 행성의 정렬 상태(λ = 89.3 ± 1.4°) 및 스핀-궤도 기울기(Ψ = 90.0 ± 5.8°)는 행성계 진화 맥락에서 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 T_eff > 7000 K인 항성 주위의 초온화성 목성형 행성들이 주로 기울어져 있거나 극궤도를 도는 이유는 무엇이며, 이는 tidal 및 파동 기반 궤도 진화에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 WASP-189의 밝기(V = 6.64)는 다른 전이 초온화성 목성형 행성의 주변 항성들과 비교해 어떻게 되며, 대기 특성 분석에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• WASP-189b는 질량 2.13 ± 0.28 M_Jup, 반지름 1.374 ± 0.082 R_Jup인 초온화성 목성형 행성으로, A6IV–V형 항성 HR 5599를 2.72일 주기로 도는 중이다.
• 행성은 투영된 스핀-궤도 각도 λ = 89.3 ± 1.4° 및 천구상 투영 궤도 기울기 Ψ = 90.0 ± 5.8°를 가지며, 극궤도를 도는 것으로 확인되었으며, 현재까지 알려진 행성 중 가장 확실한 극궤도를 가진 것으로 평가된다.
• WASP-189b의 평형온도는 2641 ± 34 K로, KELT-9b와 WASP-33b에 이어 세계에서 세 번째로 뜨거운 것으로 평가되며, 알려진 행성 중 세 번째로 뜨거운 것으로 분류된다.
• HR 5599는 현재까지 알려진 전이 초온화성 목성형 행성의 가장 밝은 주변 항성(V = 6.64)이며, 전이 행성의 주변 항성 중 세 번째로 밝은 것으로, 대기 연구에 매우 유리한 조건을 제공한다.
• 이 시스템은 기울어진 궤도의 강력한 증거를 보이며, T_eff > 7000 K인 항성 주위의 초온화성 목성형 행성은 일반적으로 기울어져 있거나 극궤도를 도는 경향이 있음을 시사한다. 이 중에서 여덟 개의 시스템 중 하나만 정렬되어 있다.
• 예상되는 바, 항성은 약 320 Myr 내로 현재의 궤도 거리까지 팽창할 것으로 예측되며, 거대행성 단계에서 행성이 삼키지는 순간적인 사건이 발생할 수 있다.