[论文解读] An extreme planetary system around HD219828. One long-period super Jupiter to a hot-neptune host star

N. C. Santos, A. Santerne+20 more|University of Birmingham Research Portal (University of Birmingham)|May 23, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 96被引用 9

一句话总结

本研究报告在明亮的金属丰度较高的恒星HD 219828周围发现了一个极端系外行星系统，该系统包含一颗热海王星（HD 219828 b，21 M⊕，P=3.83天）和一颗质量巨大、轨道周期长的气态巨行星（HD 219828 c，m sin i=15.1 MJup，P=13.1年，e=0.81）。利用HARPS、SOPHIE和ELODIE光谱仪进行的径向速度监测证实了该系统的稳定性，并揭示了异常高的质量比，暗示热海王星与热木星可能具有不同的形成路径。

ABSTRACT

With about 2000 extrasolar planets confirmed, the results show that planetary systems have a whole range of unexpected properties. We present a full investigation of the HD219828 system, a bright metal-rich star for which a hot neptune has previously been detected. We used a set of HARPS, SOPHIE, and ELODIE radial velocities to search for the existence of orbiting companions to HD219828. A dynamical analysis is also performed to study the stability of the system and to constrain the orbital parameters and planet masses. We announce the discovery of a long period (P=13.1years) massive (msini=15.1MJup) companion (HD219828c) in a very eccentric orbit (e=0.81). The same data confirms the existence of a hot-neptune, HD219828b, with a minimum mass of 21 MEarth and a period of 3.83days. The dynamical analysis shows that the system is stable. The HD219828 system is extreme and unique in several aspects. First, among all known exoplanet systems it presents an unusually high mass ratio. We also show that systems like HD219828, with a hot neptune and a long-period massive companion are more frequent than similar systems with a hot jupiter instead. This suggests that the formation of hot neptunes follows a different path than the formation of their hot jovian counterparts. The high mass, long period, and eccentricity of HD219828c also make it a good target for Gaia astrometry as well as a potential target for atmospheric characterisation, using direct imaging or high-resolution spectroscopy. Astrometric observations will allow us to derive its real mass and orbital configuration. If a transit of HD219828b is detected, we will be able to fully characterise the system, including the relative orbital inclinations. With a clearly known mass, HD219828c may become a benchmark object for the range in between giant planets and brown dwarfs.

研究动机与目标

• 研究已知包含一颗热海王星的HD 219828系外行星系统的动力学结构与稳定性。
• 利用高精度径向速度数据确定伴星的轨道参数和最小质量。
• 评估该系统在已知系外行星系统中质量比与轨道结构的独特性。
• 评估未来探测凌日现象和罗斯特-麦克劳克林效应的可能性，以约束轨道倾角。
• 探讨该系统作为研究气态巨行星与棕矮星边界的关键参考天体的潜力。

提出的方法

• 在欧洲南方天文台（ESO）和上普罗旺斯天文台（OHP）使用HARPS、SOPHIE和ELODIE光谱仪获取径向速度测量数据。
• 通过高分辨率光谱分析获得恒星参数与元素丰度，以评估活动引起的信号干扰。
• 开展动力学稳定性分析，确认该双行星系统的长期稳定性。
• 通过联合拟合径向速度数据，结合偏心率与长周期信号，约束轨道参数。
• 利用理论模型估算未来观测的预期凌日深度（600–1200 ppm）与罗斯特-麦克劳克林效应振幅（1.4–2.6 m s⁻¹）。
• 基于COND演化模型评估天体测量与直接成像的前景，以及在远星点处的投影分离（0.14弧秒）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在一颗热海王星和一颗质量巨大、轨道周期长的伴星的条件下，HD 219828系统的真正轨道结构与质量比是什么？
• RQ2 该系统在长时间 timescale 上是否稳定？其动力学构型对行星形成与迁移有何启示？
• RQ3 该系统是否代表了一类包含热海王星与质量巨大外侧行星的更广泛系统？它与拥有热木星的系统有何不同？
• RQ4 HD 219828 b的凌日现象探测前景如何？此类探测将揭示该系统的倾角与轨道结构的哪些信息？
• RQ5 HD 219828 c能否作为研究气态巨行星与棕矮星过渡区的关键参考天体？

主要发现

• 确认了一颗长周期、质量巨大的伴星（HD 219828 c），其最小质量为15.1 MJup，轨道周期为13.1年，偏心率为0.81。
• 该系统包含一颗热海王星（HD 219828 b），其最小质量为21 M⊕，轨道周期为3.83天。
• 动力学分析证实该系统稳定，行星b的平衡偏心率接近于零。
• 两颗行星的质量比异常之高，使其成为目前已知最极端的系外行星系统之一。
• 在远星点处，恒星与HD 219828 c的投影分离可达0.14弧秒，使其成为直接成像的可行目标。
• 该系统是未来盖亚任务天体测量与通过高分辨率光谱学或直接成像进行大气表征的强有力候选者。