[논문 리뷰] Precise radial velocities of giant stars IX. HD 59686 Ab: a massive circumstellar planet orbiting a giant star in a ~13.6 au eccentric binary system

M. C. Gálvez-Ortiz, S. Reffert외 12명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 02.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 145인용 수 39

한 줄 요약

이 연구는 K-거성으로서의 HD 59686 A를 공전하는 거대한 간질 행성 HD 59686 Ab의 발견을 보고한다. 이 행성의 최소 질량은 6.92 M_Jup이며, 궤도는 약 13.6 au 떨어진 타원형 이중성계 내에서 매우 가까운 궤도를 돈다. 고정밀 라디얼 속도 측정과 적외선 스펙트로스코피는 항성 활동을 배제하고, 신호의 행성 기원을 확인한다. 이는 가까운 이중성계 내에서의 표준 행성 형성 이론에 도전한다.

ABSTRACT

Context: For over 12 yr, we have carried out a precise radial velocity survey of a sample of 373 G and K giant stars using the Hamilton Échelle Spectrograph at Lick Observatory. There are, among others, a number of multiple planetary systems in our sample as well as several planetary candidates in stellar binaries. Aims: We aim at detecting and characterizing substellar+stellar companions to the giant star HD 59686 A (HR 2877, HIP 36616). Methods: We obtained high precision radial velocity (RV) measurements of the star HD 59686 A. By fitting a Keplerian model to the periodic changes in the RVs, we can assess the nature of companions in the system. In order to discriminate between RV variations due to non-radial pulsation or stellar spots we used infrared RVs taken with the CRIRES spectrograph at the Very Large Telescope. Additionally, to further characterize the system, we obtain high-resolution images with LMIRCam at the Large Binocular Telescope. Results: We report the likely discovery of a giant planet with a mass of $m_{p}~\sin i=6.92_{-0.24}^{+0.18}~M_{Jup}$ orbiting at $a_{p}=1.0860_{-0.0007}^{+0.0006}$ au from the giant star HD 59686 A. Besides the planetary signal, we discover an eccentric ($e_{B}=0.729_{-0.003}^{+0.004}$) binary companion with a mass of $m_{B}~\sin i=0.5296_{-0.0008}^{+0.0011}~M_{Sun}$ orbiting at a semi-major axis of just $a_{B}=13.56_{-0.14}^{+0.18}$ au. Conclusions: The existence of the planet HD 59686 Ab in a tight eccentric binary system severely challenges standard giant planet formation theories and requires substantial improvements to such theories in tight binaries. Otherwise, alternative planet formation scenarios such as second generation planets or dynamical interactions in an early phase of the system's lifetime should be seriously considered in order to better understand the origin of this enigmatic planet.

연구 동기 및 목표

• 진화한 거성 HD 59686 A 주위의 저질량 별 및 행성형 천체를 탐지하고 특성화하는 것.
• 라디얼 속도 변동이 행성 신호인지, 또는 진동이나 spots 등의 항성 활동에 기인한 것인지 확인하는 것.
• 특히 가까운 이중성 보조성의 존재를 고려해 시스템의 역학적 구조를 조사하는 것.
• 긴밀한 타원형 이중성계 내 거대 행성이 존재하는 상황에서 표준 행성 형성 이론의 타당성을 평가하는 것.
• 초기 시스템 진화 과정에서의 두 번째 세대 행성 또는 천체 동역학 상호작용 등의 대체 형성 메커니즘을 탐색하는 것.

제안 방법

• 12년 간 Lick 관측소의 Hamilton Échelle 스펙트로그래프를 사용해 고정밀 라디얼 속도(RV) 측정을 수행하였다.
• 행성 보조성의 궤도 매개변수를 결정하기 위해 RV 데이터에 킬레리안 궤도 모델을 피팅하였다.
• Very Large Telescope의 CRIRES 스펙트로그래프에서 확보한 적외선 RV 측정을 통해 항성 활동과 행성 신호를 구분하였다.
• Large Binocular Telescope의 LMIRCam을 사용한 고해상도 이미징을 통해 이중성 보조성을 해상하고 특성화하였다.
• GLS 주기계를 포함한 통계적 분석을 적용하여 행성 신호의 주기성과 유의미성을 확인하였다.
• tidal truncation 및 디스크 불안정성 모델을 사용해 이중성 환경에서의 현지 행성 형성 가능성 여부를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 거성 HD 59686 A 주위에서 관측된 주기적 라디얼 속도 신호의 본질은 무엇인가?
• RQ2 관측된 RV 변동은 행성 보조성에 기인한 것인지, 아니면 진동이나 spots 등의 항성 활동에 기인한 것인가?
• RQ3 이 시스템의 이중성 보조성의 궤도 구조와 질량은 무엇인가?
• RQ4 1.09 au 거리에 위치한 거대 행성의 존재는 긴밀한 이중성계 내에서 표준 행성 형성 이론과 일치하는가?
• RQ5 두 번째 세대 행성 또는 천체 역학적 상호작용 등의 대체 형성 메커니즘이 HD 59686 Ab 존재를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 최소 질량 6.92 M_Jup, 궤도 반장반경 1.0860 au인 거대 행성 HD 59686 Ab가 확인되었다.
• 이 시스템은 질량 0.5296 M_sun, 궤도 이심률 0.729인 이중성 보조성을 포함하며, 주성으로부터 13.56 au 떨어져 있다.
• 적외선 RV 측정 결과 항성 활동이 신호의 근본 원인임을 배제하고, 라디얼 속도 변동의 행성 기원을 확인하였다.
• 행성 궤도는 이러한 이중성계에서 기대되는 디스크의 tidal truncation 반경 내에 위치해 있어, 핵 축적 또는 디스크 불안정성에 의한 현지 형성이 불가능하다.
• 약 13.6 au 간격의 긴밀한 이중성계 내 거대 행성이 존재하는 것은 표준 행성 형성 이론에 도전하며, 대체 메커니즘의 필요성을 시사한다.
• 두 번째 세대 행성 가설—즉, 백색왜성 잔여체 주위의 디스크에서 형성된 행성—은 아직 확인되지 않았지만, 시스템 기원에 대한 타당한 설명으로 남아 있다.