[论文解读] A second planet with an Earth-like composition orbiting the nearby M dwarf LHS 1140

Kristo Ment, Jason Dittmann+28 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 1

一句话总结

本文报告了LHS 1140 c的发现，这是一颗围绕邻近M型矮星LHS 1140公转的凌星类地超级地球，质量为1.81±0.39 M⊕，半径为1.282±0.024 R⊕，轨道周期为3.78天。其平均密度为4.7±1.1 g/cm³，与地球类似成分一致，是少数可能适合詹姆斯·韦布空间望远镜进行大气表征的邻近岩石系外行星之一。

ABSTRACT

LHS 1140 is a nearby mid-M dwarf known to host a temperate rocky super-Earth (LHS 1140 b) on a 24.737-day orbit. Based on photometric observations by MEarth and Spitzer as well as Doppler spectroscopy from HARPS, we report the discovery of an additional transiting rocky companion (LHS 1140 c) with a mass of $1.81\pm0.39~{ m M_{Earth}}$ and a radius of $1.282\pm0.024~{ m R_{Earth}}$ on a tighter, 3.77795-day orbit. We also obtain more precise estimates of the mass and radius of LHS 1140 b to be $6.98\pm0.89~{ m M_{Earth}}$ and $1.727\pm0.032~{ m R_{Earth}}$. The mean densities of planets b and c are $7.5\pm1.0~ m{g/cm^3}$ and $4.7\pm1.1~ m{g/cm^3}$, respectively, both consistent with the Earth's ratio of iron to magnesium silicate. The orbital eccentricities of LHS 1140 b and c are consistent with circular orbits and constrained to be below 0.06 and 0.31, respectively, with 90% confidence. Because the orbits of the two planets are co-planar and because we know from previous analyses of Kepler data that compact systems of small planets orbiting M dwarfs are commonplace, a search for more transiting planets in the LHS 1140 system could be fruitful. LHS 1140 c is one of the few known nearby terrestrial planets whose atmosphere could be studied with the upcoming James Webb Space Telescope.

研究动机与目标

• 利用光时变和径向速度数据在LHS 1140系统中识别更多行星。
• 确定新发现的系外行星LHS 1140 c的质量、半径和密度。
• 评估LHS 1140 c及其已知伴星LHS 1140 b的成分和轨道特性。
• 评估未来望远镜（如JWST）对LHS 1140 c大气表征的潜力。
• 研究LHS 1140系统的动力学结构，包括轨道偏心率和共面性。

提出的方法

• 结合MEarth和斯皮策空间望远镜的光时变数据以探测行星凌星现象。
• 利用HARPS仪器的高精度多普勒光谱法测量径向速度变化。
• 应用凌星时刻与径向速度建模以推导行星质量和轨道参数。
• 根据推导出的质量和半径计算平均密度，以推断行星成分。
• 使用贝叶斯分析约束轨道偏心率，置信区间为90%。
• 基于凌星时刻和轨道对齐情况评估系统的共面性。

实验结果

研究问题

• RQ1 新发现的行星LHS 1140 c的质量和半径是多少？其整体成分是什么？
• RQ2 LHS 1140 b与c的轨道偏心率如何比较？它们的轨道是否与近圆轨道一致？
• RQ3 LHS 1140系统是否共面？这对该行星系统的形成与稳定性有何意义？
• RQ4 LHS 1140 c的大气层有多大可能通过詹姆斯·韦布空间望远镜进行研究？
• RQ5 LHS 1140 c作为具有类地成分的岩石系外行星的基准具有何种重要意义？

主要发现

• LHS 1140 c的质量为1.81±0.39 M⊕，半径为1.282±0.024 R⊕，表明其为岩石成分，平均密度为4.7±1.1 g/cm³。
• 该行星每3.77795天绕其恒星公转一次，处于与LHS 1140 b构成的紧密紧凑系统中。
• 在90%置信水平下，LHS 1140 c的轨道偏心率被限制在0.31以下，与近似圆形轨道一致。
• LHS 1140 c的平均密度与地球类似的铁与镁硅酸盐比例一致，支持其具有岩石内部结构。
• LHS 1140 b的质量被精确为6.98±0.89 M⊕，半径为1.727±0.032 R⊕，平均密度为7.5±1.0 g/cm³，同样与岩石成分一致。
• 两颗行星的共面性以及该系统的紧凑结构表明可能存在更多凌星行星，使其成为后续观测的优先目标。