[论文解读] Characterization of the K2-18 multi-planetary system with HARPS: A habitable zone super-Earth and discovery of a second, warm super-Earth on a non-coplanar orbit

Ryan Cloutier, N. Astudillo-Defru+17 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 64被引用 30

一句话总结

本研究利用欧洲南方天文台3.6米望远镜上的HARPS光谱仪获得的径向速度数据，首次精确测量了围绕M2.5型恒星运行的宜居带超级地球K2-18b的质量。研究还报告发现了一颗第二颗非凌星的温带超级地球（K2-18c），其轨道非共面，动力学稳定性分析将两颗行星的偏心率限制在99%置信水平以下，分别为0.43和0.47。

ABSTRACT

The bright M dwarf K2-18 at 34 pc is known to host a transiting super-Earth-sized planet orbiting within the star's habitable zone; K2-18b. Given the superlative nature of this system for studying an exoplanetary atmosphere receiving similar levels of insolation as the Earth, we aim to characterize the planet's mass which is required to interpret atmospheric properties and infer the planet's bulk composition. We obtain precision radial velocity measurements with the HARPS spectrograph and couple those measurements with the K2 photometry to jointly model the observed radial velocity variation with planetary signals and a radial velocity jitter model based on Gaussian process regression. We measure the mass of K2-18b to be $8.0 \pm 1.9$ M$_{\oplus}$ with a bulk density of $3.7 \pm 0.9$ g/cm$^3$ which may correspond to a predominantly rocky planet with a significant gaseous envelope or an ocean planet with a water mass fraction $\gtrsim 50$%. We also find strong evidence for a second, warm super-Earth K2-18c at $\sim 9$ days with a semi-major axis 2.4 times smaller than the transiting K2-18b. After re-analyzing the available light curves of K2-18 we conclude that K2-18c is not detected in transit and therefore likely has an orbit that is non-coplanar with K2-18b. A suite of dynamical integrations with varying simulated orbital eccentricities of the two planets are used to further constrain each planet's eccentricity posterior from which we measure $e_b < 0.43$ and $e_c < 0.47$ at 99% confidence. The discovery of the inner planet K2-18c further emphasizes the prevalence of multi-planet systems around M dwarfs. The characterization of the density of K2-18b reveals that the planet likely has a thick gaseous envelope which along with its proximity to the Solar system makes the K2-18 planetary system an interesting target for the atmospheric study of an exoplanet receiving Earth-like insolation.

研究动机与目标

• 精确测量K2-18b的质量，这是一颗围绕M型恒星运行的凌星超级地球，位于宜居带，以推断其原行星结构与大气潜力。
• 研究K2-18系统的动力学构型，特别是两颗行星的轨道倾角与共面性。
• 利用数值积分评估系统的动力学稳定性，并约束轨道偏心率。
• 评估该系统在詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）观测中进行大气表征的适用性，鉴于其距离近且主星亮度高。
• 基于对K2光变曲线的重新分析，判断第二颗行星K2-18c是否可在凌星中被探测到。

提出的方法

• 利用欧洲南方天文台3.6米望远镜上的HARPS光谱仪获取高精度径向速度测量数据。
• 将HARPS径向速度数据与K2光变曲线结合，使用高斯过程回归联合建模行星信号与恒星活动。
• 基于高斯过程应用抖动模型，以校正由恒星活动引起的径向速度变化。
• 对双行星系统进行动力学积分，以检验长期稳定性并推导偏心率约束。
• 将稳定性约束作为先验，用于优化两颗行星轨道偏心率的后验分布。
• 重新分析K2光变曲线，以检验K2-18c的凌星信号，最终得出其未被探测到的结论。

实验结果

研究问题

• RQ1 K2-18b的精确质量是多少？这对它的内部结构与大气组成有何含义？
• RQ2 K2-18系统中是否存在第二颗行星？其轨道参数是什么？
• RQ3 第二颗行星K2-18c的轨道是否与K2-18b共面？这对系统的形成有何启示？
• RQ4 该K2-18系绕统在长时间尺度上是否稳定？对两颗行星的偏心率可施加何种约束？
• RQ5 K2-18c能否在凌星中被探测到？其未被探测到意味着什么？

主要发现

• K2-18b的质量测定为8.0 ± 1.9 M⊕，体密度为3.7 ± 0.9 g/cm³，与具有显著气态包层的岩石行星或水质量分数≥50%的海洋世界一致。
• 发现第二颗超级地球K2-18c，其最小质量为7.5 ± 1.3 M⊕，轨道周期约为9天，位于K2-18b轨道内侧。
• K2-18c未在凌星中被探测到，表明其轨道与K2-18b轨道非共面，两者之间的夹角很可能大于10°。
• 动力学稳定性模拟将K2-18b的轨道偏心率约束在e_b < 0.43，K2-18c的偏心率约束在e_c < 0.47，置信水平为99%。
• 该系统在长时间尺度上具有动力学稳定性，支持两颗大质量行星在M型恒星周围近距离轨道中共存。
• K2-18是目前已知第二颗亮度最高的、拥有凌星宜居带系外行星的M型恒星，使其成为JWST大气表征的首选目标。