[論文レビュー] A second planet with an Earth-like composition orbiting the nearby M dwarf LHS 1140

Kristo Ment, Jason Dittmann+28 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、近隣のM型矮星LHS 1140を公転周期3.78日で回る、質量1.81±0.39 M⊕、半径1.282±0.024 R⊕の軌道を描く岩石惑星であるLHS 1140 cの発見を報告している。平均密度4.7±1.1 g/cm³は地球に類似した組成と一致しており、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡による大気の特徴付けが可能な少数の近接した岩石惑星の一つである。

ABSTRACT

LHS 1140 is a nearby mid-M dwarf known to host a temperate rocky super-Earth (LHS 1140 b) on a 24.737-day orbit. Based on photometric observations by MEarth and Spitzer as well as Doppler spectroscopy from HARPS, we report the discovery of an additional transiting rocky companion (LHS 1140 c) with a mass of $1.81\pm0.39~{ m M_{Earth}}$ and a radius of $1.282\pm0.024~{ m R_{Earth}}$ on a tighter, 3.77795-day orbit. We also obtain more precise estimates of the mass and radius of LHS 1140 b to be $6.98\pm0.89~{ m M_{Earth}}$ and $1.727\pm0.032~{ m R_{Earth}}$. The mean densities of planets b and c are $7.5\pm1.0~ m{g/cm^3}$ and $4.7\pm1.1~ m{g/cm^3}$, respectively, both consistent with the Earth's ratio of iron to magnesium silicate. The orbital eccentricities of LHS 1140 b and c are consistent with circular orbits and constrained to be below 0.06 and 0.31, respectively, with 90% confidence. Because the orbits of the two planets are co-planar and because we know from previous analyses of Kepler data that compact systems of small planets orbiting M dwarfs are commonplace, a search for more transiting planets in the LHS 1140 system could be fruitful. LHS 1140 c is one of the few known nearby terrestrial planets whose atmosphere could be studied with the upcoming James Webb Space Telescope.

研究の動機と目的

• MEarthおよびスパッタラー宇宙望遠鏡の光度測光データと、ハーパス分光計によるドップラー速度測定データを用いて、LHS 1140系に追加の惑星が存在するかを特定すること。
• 新たに発見された惑星LHS 1140 cの質量、半径、密度を特定すること。
• LHS 1140 cおよび既知の同伴惑星LHS 1140 bの組成および軌道的特徴を評価すること。
• 将来の望遠鏡（例：JWST）によるLHS 1140 cの大気特徴付けの可能性を評価すること。
• LHS 1140系の力学的構造、特に軌道離心率および共面性を調査すること。

提案手法

• MEarthおよびスパッタラー宇宙望遠鏡の光度測光データを組み合わせ、惑星の transit（食）を検出する。
• ハーパス分光計を用いた高精度ドップラー速度測定により、径方向速度の変化を測定する。
• 軌道周期ずれと径方向速度のモデリングを適用し、惑星の質量および軌道パラメータを導出する。
• 得られた質量と半径から平均密度を計算し、惑星の組成を推定する。
• ベイズ解析を用いて90%信頼区間を用いて軌道離心率を制約する。
• 軌道周期ずれと軌道の整合性に基づき、系の共面性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 新たに検出された惑星LHS 1140 cの質量と半径は何か？ また、その体積組成は？
• RQ2 LHS 1140 bとcの軌道離心率はどのように比較できるか？ また、それらの軌道は円形運動と整合的か？
• RQ3 LHS 1140系は共面的か？ これは惑星系の形成および安定性にどのような意味を持つか？
• RQ4 LHS 1140 cの大気がジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡で研究可能である可能性はどの程度か？
• RQ5 LHS 1140 cは、地球に類似した組成を示す岩石惑星のベンチマークとして、どのような意義を持つのか？

主な発見

• LHS 1140 cの質量は1.81±0.39 M⊕、半径は1.282±0.024 R⊕であり、平均密度4.7±1.1 g/cm³と算出され、岩石惑星の組成を示している。
• 惑星は3.77795日ごとに主星を公転しており、LHS 1140 bとともに密なコンパクトな系を形成している。
• LHS 1140 cの軌道離心率は90%信頼区間で0.31未満に制約されており、ほぼ円形軌道と整合的である。
• LHS 1140 cの平均密度は、鉄とマグネシウムケイ酸塩の比率が地球に類似していることを示しており、岩石惑星の内部構造を支持している。
• LHS 1140 bの再評価された質量は6.98±0.89 M⊕、半径は1.727±0.032 R⊕、平均密度は7.5±1.0 g/cm³であり、これも岩石惑星の組成と整合的である。
• 2つの惑星の共面性および系のコンパクトな構造から、追加の軌道を描く惑星が存在する可能性が示され、今後の観測の優先対象である。