[论文解读] The CARMENES search for exoplanets around M dwarfs - HD 147379b: A nearby Neptune in the temperate zone of an early-M dwarf

A. Reiners, I. Ribas+170 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 44被引用 34

一句话总结

本文报告了在早型M型矮星（HD 147379）的适居带内发现了一颗海王星级系外行星HD 147379 b（质量为25倍地球质量），该行星通过CARMENES巡天的径向速度测量被探测到，并由Keck/HIRES数据确认。作为CARMENES发现的首批系外行星之一，该行星处于超级类地行星与气态巨行星之间的稀有质量范围，为低质量恒星周围的行星形成机制及潜在宜居性提供了关键见解。

ABSTRACT

We report on the first star discovered to host a planet detected by radial velocity (RV) observations obtained within the CARMENES survey for exoplanets around M dwarfs. HD 147379 ($V = 8.9$ mag, $M = 0.58 \pm 0.08$ M$_{\odot}$), a bright M0.0V star at a distance of 10.7 pc, is found to undergo periodic RV variations with a semi-amplitude of $K = 5.1\pm0.4$ m s$^{-1}$ and a period of $P = 86.54\pm0.06$ d. The RV signal is found in our CARMENES data, which were taken between 2016 and 2017, and is supported by HIRES/Keck observations that were obtained since 2000. The RV variations are interpreted as resulting from a planet of minimum mass $m_{ m p}\sin{i} = 25 \pm 2$ M$_{\oplus}$, 1.5 times the mass of Neptune, with an orbital semi-major axis $a = 0.32$ au and low eccentricity ($e < 0.13$). HD 147379b is orbiting inside the temperate zone around the star, where water could exist in liquid form. The RV time-series and various spectroscopic indicators show additional hints of variations at an approximate period of 21.1d (and its first harmonic), which we attribute to the rotation period of the star.

研究动机与目标

• 使用高精度径向速度测量探测并表征M型矮星周围的系外行星。
• 识别低质量恒星适居带内的行星，这些行星是宜居性研究的优先目标。
• 探索海王星级行星群体，该质量范围在行星形成模型中相对稀少。
• 评估利用盖亚（Gaia）进行天体测量探测的可能性，以及通过TESS进行凌星后续观测的潜力。
• 增进对M型矮星周围行星系统结构与形成路径的理解。

提出的方法

• 2016至2017年间，在卡拉斯托天文台的1.23米望远镜上使用CARMENES光谱仪获取了径向速度测量数据。
• 利用Keck I望远镜上的HIRES仪器获得的高精度数据对径向速度信号进行了交叉验证。
• 通过将径向速度数据拟合为开普勒轨道，得出轨道参数，包括周期（86.54 ± 0.06天）和半振幅（5.1 ± 0.4 m s⁻¹）。
• 在假设轨道为圆形且倾角为边缘朝向的情况下，估算出该行星的最小质量为25个地球质量（0.077 M⊕）。
• 基于盖亚的预期性能评估了天体测量可探测性，预测恒星的反向运动半振幅为6.8 µas。
• 计算出凌星概率为0.8%，预计凌星深度为5–10 mmag，并评估了TESS未来探测凌星的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过HD 147379的径向速度变化探测到的行星，其轨道和物理特性是什么？
• RQ2 HD 147379 b的质量和轨道位置与已知的其他系外行星相比如何，特别是在海王星级质量范围内？
• RQ3 该行星的天体测量信号能否被盖亚探测到？此类测量的预期精度如何？
• RQ4 是否存在显著的凌星概率？未来任务如TESS能否探测到凌星？
• RQ5 该行星的存在对低质量恒星周围行星形成模型有何启示？

主要发现

• HD 147379 b是一颗海王星级系外行星，最小质量为25个地球质量（0.077 M⊕），围绕一颗早型M型矮星运行，距离为10.7 pc。
• 该行星的轨道周期为86.54 ± 0.06天，在其主星上引起5.1 ± 0.4 m s⁻¹的径向速度半振幅。
• 该行星位于其主星的适居带内，使其成为宜居性研究的潜在目标。
• 由于行星引起的恒星天体测量信号预测为4.1 µas（下限），而盖亚预计可实现6.8 µas的性能，因此探测是可行的。
• 几何凌星概率较低，仅为0.8%，但由于该行星位于天球赤道极区附近，增加了TESS探测到凌星的可能性。
• 该发现标志着CARMENES巡天首次确认发现系外行星，凸显了其对M型矮星周围轨道周期1–3个月范围行星的探测灵敏度。