[論文レビュー] TOI-1634 b: An Ultra-short-period Keystone Planet Sitting inside the M-dwarf Radius Valley

Ryan Cloutier, David Charbonneau+64 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 131被引用数 33

ひとこと要約

本論文では、M2型矮星を公転する超短周期（0.989日）系外惑星TOI-1634 bの発見と特徴付けを報告する。この惑星はM矮星の半径バレーに位置する。半径は1.790+0.080−0.081 R⊕、質量は4.91+0.68−0.70 M⊕であり、5.9σの有意水準で地球型の岩石組成とは一致しない。これは揮発性物質を多く含む層、または非地球型の岩石組成を示しており、M矮星惑星における熱的質量損失よりもガス欠損形成シナリオを支持する。

ABSTRACT

Studies of close-in planets orbiting M dwarfs have suggested that the M dwarf radius valley may be well-explained by distinct formation timescales between enveloped terrestrials, and rocky planets that form at late times in a gas-depleted environment. This scenario is at odds with the picture that close-in rocky planets form with a primordial gaseous envelope that is subsequently stripped away by some thermally-driven mass loss process. These two physical scenarios make unique predictions of the rocky/enveloped transition's dependence on orbital separation such that studying the compositions of planets within the M dwarf radius valley may be able to establish the dominant physics. Here, we present the discovery of one such keystone planet: the ultra-short period planet TOI-1634 b ($P=0.989$ days, $F=121 F_{\oplus}$, $r_p = 1.790^{+0.080}_{-0.081} R_{\oplus}$) orbiting a nearby M2 dwarf ($K_s=8.7$, $R_s=0.45 R_{\odot}$, $M_s=0.50 M_{\odot}$) and whose size and orbital period sit within the M dwarf radius valley. We confirm the TESS-discovered planet candidate using extensive ground-based follow-up campaigns, including a set of 32 precise radial velocity measurements from HARPS-N. We measure a planetary mass of $4.91^{+0.68}_{-0.70} M_{\oplus}$, which makes TOI-1634 b inconsistent with an Earth-like composition at $5.9\sigma$ and thus requires either an extended gaseous envelope, a large volatile-rich layer, or a rocky portion that is not dominated by iron and silicates to explain its mass and radius. The discovery that the bulk composition of TOI-1634 b is inconsistent with that of the Earth favors the gas-depleted formation mechanism to explain the emergence of the radius valley around M dwarfs with $M_s\lesssim 0.5 M_{\odot}$.

研究の動機と目的

• M矮星の半径バレー内に位置するキーストーン惑星の全体組成を特定し、競合する形成モデルを検証すること。
• Tessが発見した候補惑星TOI-1634 bの惑星性を、多波長の追跡観測によって検証すること。
• 惑星の質量と半径が熱的質量損失かガス欠損形成シナリオかのどちらに一致するかを評価すること。
• 惑星の組成が低質量星の周囲における半径バレーの出現に与える影響を評価すること。
• 将来のジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）による大気特徴の特徴付けを支援するため、水素的脱出に耐性がある惑星を特定すること。

提案手法

• Tessの光度曲線を用いて軌道通過信号を検出し、広範な地上観測による追跡を経て、TOI-1634 bの惑星性を検証した。
• HARPS-Nを用いた32回の高精度径速度測定を通じて、惑星の質量を決定した。
• 光度曲線と径速度データを統合し、グローバルベイズ解析を実施することで、惑星の半径、質量、軌道パラメータを導出した。
• Gaia、2MASS、および地上光度測定を用いた星の特徴付け技術を適用し、母星の性質を特定した。
• 大気モデルと日食観測シミュレーションを用いて、JWSTによるTOI-1634 bの大気検出可能性を予測した。
• 追加の惑星、特にハビタブルゾーン内に存在する可能性がある惑星の存在を除外するため、径速度感度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TOI-1634 bの全体組成は、地球型の岩石惑星と一致するか。それともガス層や揮発性物質を多く含む層を必要とするか。
• RQ2 M矮星の半径バレー内に位置するこの惑星の位置は、熱的質量損失よりもガス欠損形成モデルを支持するか。
• RQ3 この惑星の半径と質量は、コア駆動質量損失または光分解によって説明可能か。
• RQ4 TOI-1634 bが水素的脱出に耐性を持つ理由となる大気的性質は何か。
• RQ5 将来のJWST観測で、TOI-1634 bの大気特徴をどの程度検出可能か。

主な発見

• TOI-1634 bは公軌道周期0.989日、半径1.790+0.080−0.081 R⊕、質量4.91+0.68−0.70 M⊕であり、M矮星の半径バレー内に位置する。
• 惑星の質量と半径は5.9σの有意水準で地球型組成とは一致せず、ケイ酸塩鉄系の岩石組成を除外する。
• 惑星の組成は、高い平均分子量を有する揮発性物質を多く含む層、またはCa/Alが豊富で密度が低い岩石組成によって最もよく説明される。
• TOI-1634 bの観測された性質は、光分解やコア駆動質量損失といった熱的質量損失モデルと整合しない。
• 質量が0.5 M⊙未満の星では、ガス欠損形成シナリオがM矮星の半径バレーを形作る支配的メカニズムであるとデータは支持する。
• MIRIまたはNIRSpecを用いたJWST観測で、2〜5回の日食観測により、H2Oを主成分とする大気、CO2を主成分とする大気、太陽組成の大気を区別できる。