[論文レビュー] Two Bright M Dwarfs Hosting Ultra-Short-Period Super-Earths with Earth-like Compositions

Teruyuki Hirano, John H. Livingston+59 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 145被引用数 31

ひとこと要約

本研究では、TESSの光度計測と地上望遠鏡による径速度測定を用いて、明るいM型矮星の周りを回る2つの超短周期（USP）スーパーアース、TOI-1634bおよびTOI-1685bの確認に成功した。これらの惑星は、質量がそれぞれ10.14 ± 0.95 M⊕および3.43 ± 0.93 M⊕、半径が1.749 ± 0.079 R⊕および1.459 ± 0.065 R⊕、公転周期がそれぞれ0.9893436 ± 0.0000020日および0.6691416 ± 0.0000019日であり、地球に似た組成を示しており、半径の谷に近い位置に位置しており、岩石惑星の形成および大気の進化を研究する上で重要な対象である。

ABSTRACT

We present observations of two bright M dwarfs (TOI-1634 and TOI-1685: $J=9.5-9.6$) hosting ultra-short period (USP) planets, identified by the TESS mission. The two stars are similar in temperature, mass, and radius ($T_\mathrm{eff}\,\approx\,3500$ K, $M_\star\,\approx\,0.45-0.46\,M_\odot$, and $R_\star\approx 0.45-0.46\,R_\odot$), and the planets are both super-Earth-sized ($1.25\,R_\oplus<R_p<2.0\,R_\oplus$). For both systems, light curves from the ground-based photometry exhibit planetary transits, whose depths are consistent with those by the TESS photometry. We also refine the transit ephemerides based on the ground-based photometry, finding the orbital periods of $P=0.9893436\pm0.0000020$ day and $P=0.6691416\pm0.0000019$ day for TOI-1634b and TOI-1685b, respectively. Through intensive radial velocity (RV) observations using IRD on the Subaru 8.2m telescope, we confirm the planetary nature of the TOIs, and measure their masses: $10.14\pm0.95\,M_\oplus$ and $3.43\pm0.93\,M_\oplus$ for TOI-1634b and TOI-1685b, respectively, when the observed RVs are fitted with a single-planet circular-orbit model. Combining those with the planet radii of $R_p=1.749\pm 0.079\,R_\oplus$ (TOI-1634b) and $1.459\pm0.065\,R_\oplus$ (TOI-1685b), we find that both USP planets have mean densities consistent with an Earth-like internal composition, which is typical for small USP planets. TOI-1634b is currently the most massive USP planet in this category, and it resides near the radius valley, which makes it a benchmark planet in the context of discussing the size limit of rocky planet cores as well as testing the formation scenarios for USP planets. Excess scatter in the RV residuals for TOI-1685 suggests the presence of a possible secondary planet or unknown activity/instrumental noise in the RV data, but further observations are required to check those possibilities.

研究の動機と目的

• TESSが特定した明るいM型矮星の周囲に存在する2つの超短周期（USP）惑星候補の惑星性を確認すること。
• 惑星の質量と半径を測定し、内部構造の組成を評価すること。
• 地上の光度計測と径速度データを用いて、軌道のエフェマリスを精緻化すること。
• 径速度残差解析を用いて、追加の惑星や星の活動の可能性を評価すること。
• 今後の大気の特徴付け、特にJWSTを用いた観測のための高優先度の対象としてこれらの系を特定すること。

提案手法

• 2つの明るいM型矮星（TOI-1634およびTOI-1685）の光曲線において、TESSの宇宙望遠鏡を用いた光度計測で惑星の transit を検出した。
• 地上の光度計測を実施し、転食深さとエフェマリスを検証および精緻化し、TESSデータとの整合性を確認した。
• すばる8.2m望遠鏡に搭載されたIRU分光計を用いて、強力な径速度（RV）測定を実施し、惑星信号の確認と質量の決定を行った。
• RVデータを単一惑星の円軌道モデルにフィットさせ、惑星の質量と半径を導出し、密度と組成の分析を可能にした。
• 周期ogram解析とベイジアン情報基準（BIC）を用いて、RV残差を解析し、追加の惑星や星の活動の可能性を評価した。
• 質量と半径の測定値を統合し、平均密度を計算し、理論的な地球に似た組成モデルと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 明るいM型矮星の周囲に存在する2つのUSP惑星候補は、岩石でできており、地球に似た組成を持つ質量を有しているか？
• RQ2 地上の光度計測によって精緻化された結果、TOI-1634bおよびTOI-1685bの正確な公転周期と転食エフェマリスは何か？
• RQ3 これらの系の径速度残差には、追加の惑星候補や星の活動の兆候があるか？
• RQ4 これらの惑星の質量と半径は、岩石惑星内部の理論的モデルとどのように一致するか？
• RQ5 これらの系は、放射スペクトロスコピーを用いた今後の大気の特徴付けに適した対象と見なせるか？

主な発見

• TOI-1634bは質量10.14 ± 0.95 M⊕、半径1.749 ± 0.079 R⊕を有し、平均密度が地球に似た組成と整合的である。
• TOI-1685bは質量3.43 ± 0.93 M⊕、半径1.459 ± 0.065 R⊕を有し、同様に地球に似た内部構造と整合的である。
• 公転周期は、TOI-1634bが0.9893436 ± 0.0000020日、TOI-1685bが0.6691416 ± 0.0000019日へと精緻化された。
• 両惑星とも理論的な半径の谷に近く、地球に似た組成を持つ最も質量の大きなUSP惑星の一つである。
• TOI-1685のRV残差に過剰な散らばりが見られ、追加の惑星または星の活動の可能性を示唆しているが、確認にはさらなる観測が必要である。
• これらの系は、USPスーパーアースを有する最も明るい既知の恒星系であり、JWSTやその他の大口径望遠鏡を用いた今後の大気研究の最良の標的である。