[논문 리뷰] HATS-71b: A giant planet transiting an M3 dwarf star in TESS Sector 1

G. Á. Bakos, Daniel Bayliss외 42명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 21.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 3.7955일 궤도 주기를 가진 M3 주저자성에 도전하는 기체 거대행성 HATS-71b의 발견 및 특성화를 보고한다. 이는 질량이 0.45±0.24 M_J인 행성으로, 4.7%의 투과 깊이를 보이며, 기존에 알려진 가장 차가운 M형 주저자성에 기여한다. 이 행성의 특성은 지상 기반의 광도 측정, 스펙트로스코피, 영상 촬영 및 TESS 위성 기반의 광도 측정을 통해 확인되었으며, Gaia DR2는 항성 성질을 뒷받침하고 잠재적인 해저리지 않은 이중성 연료를 제안한다.

ABSTRACT

We report the discovery of HATS-71b, a transiting gas giant planet on a P = 3.7955 day orbit around a G = 15.35 mag M3 dwarf star. HATS-71 is the coolest M dwarf star known to host a hot Jupiter. The loss of light during transits is 4.7%, more than any other confirmed transiting planet system. The planet was identified as a candidate by the ground-based HATSouth transit survey. It was confirmed using ground-based photometry, spectroscopy, and imaging, as well as space-based photometry from the NASA TESS mission (TIC 234523599). Combining all of these data, and utilizing Gaia DR2, we find that the planet has a radius of $1.080 \pm 0.016 R_J$ and mass of $0.45 \pm 0.24 M_J$ (95% confidence upper limit of $0.81 M_J$ ), while the star has a mass of $0.569 \pm^{0.042}_{0.069}\,M_\odot$ and a radius of $0.5161\pm^{0.0053}_{0.0099}\,R_\odot$. The Gaia DR2 data show that HATS-71 lies near the binary main sequence in the Hertzsprung-Russell diagram, suggesting that there may be an unresolved stellar binary companion. All of the available data is well fitted by a model in which there is a secondary star of mass $0.24 M_\odot$, although we caution that at present there is no direct spectroscopic or imaging evidence for such a companion. Even if there does exist such a stellar companion, the radius and mass of the planet would be only marginally different from the values we have calculated under the assumption that the star is single.

연구 동기 및 목표

• 다양한 파장의 광도 측정 및 스펙트로스코피 데이터를 사용하여 차가운 M형 주저자성 주위의 전이 행성 식별 및 확인하기.
• HATS-71b와 그 주저자성의 물리적 성질, 질량, 반지름, 궤도 파rameter 특성화하기.
• Gaia DR2의 천체 운동학 및 광도 모델링을 사용하여 주저자성 주위의 이중성 연료 존재 가능성 조사하기.
• 높은 투과 깊이를 고려할 때 전이 스펙트로스코피를 통한 대기 특성화 가능성을 평가하기.
• 고정밀 위성 기반 광도 곡선을 통해 행성 후보를 확인하는 데 있어 지상 기반 전이 탐사(예: HATSouth)와 TESS 간의 상호보완성 입증하기.

제안 방법

• 행성은 HATSouth 탐사가 1m급 천체망원경에서의 지상 기반 광도 측정을 통해 전이 후보로 처음 감지되었다.
• 다음으로, 지상 기반 광도 측정, 고해상도 스펙트로스코피, 영상 촬영을 통해 신호의 행성 성격을 확인하고 가짜 신호를 배제하였다.
• NASA의 TESS 임무는 2분 간격의 위성 기반 광도 측정(TIC 234523599)을 제공하여 제2일식 제약의 정밀도를 향상시켰다.
• 항성 성질은 Gaia DR2의 복사각도, 광도 측정 및 스펙트럼 에너지 분포 피팅을 사용하여 유도되었으며, 진화 모델에 의해 추가로 제약을 받았다.
• 은하수 속도 측정을 통해 행성의 질량이 결정되었으며, 95% 신뢰수준에서 상한선은 0.81 M_J였다.
• 유사한 F, G, K형 항성 주위의 예측 전이 스펙트로스코피 신호 깊이(300–700 ppm)를 기반으로 대기 특성화 잠재력이 추정되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 M3 주저자성 주위의 전이 행성인 HATS-71b의 물리적 및 궤도 파rameter는 무엇인가?
• RQ2 4.7%의 높은 투과 깊이는 저질량 항성 주위의 거대행성과 일치하는가? 이는 행성계의 구조에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 Gaia DR2 데이터는 주저자성 주위의 해저리지 않은 이중성 연료 존재를 시사하는가?
• RQ4 HATS-71b의 전이 스펙트로스코피를 통한 대기 특성화 잠재력은 무엇이며, 다른 알려진 외계행성과 비교해 신호 강도는 어떻게 되는가?
• RQ5 지상 기반 전이 탐사와 TESS 간의 상호보완성은 고정밀 위성 기반 광도 측정을 통해 행성 후보를 확인하는 데 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• HATS-71b는 질량 0.45±0.24 M_J, 반지름 1.080±0.016 R_J, 궤도 주기 3.7955일인 기체 거대행성이다.
• 주저자성은 질량 0.569+0.042−0.069 M_☉, 반지름 0.5161+0.0053−0.0099 R_☉인 M3 주저자성으로, 기존에 알려진 가장 차가운 M형 주저자성에 핫 저지트를 수반한 것으로 확인되었다.
• 투과 깊이는 4.7%로, 모든 확인된 전이 외계행성계 중 가장 크며, 큰 행성-항성 반지름 비율을 나타낸다.
• Gaia DR2 데이터는 항성이 이중성 주계열 근처에 위치해 있으며, 질량 0.24 M_☉의 보조 항성이 포함된 모델이 데이터에 잘 맞는다. 다만 아직 직접적인 스펙트로스코피나 영상 증거는 없다.
• 행성의 전이 스펙트로스코피 신호는 300–700 ppm로 추정되어, 현재 및 향후 천체망원경을 사용한 대기 특성화 가능성을 시사한다.
• TESS 광도 곡선는 행성 반지름이나 일식 이uar의 정밀도를 크게 향상시키진 않았지만, 제2일식의 고신뢰도 배제를 가능하게 하여 전이 모델의 타당성을 검증하였다.