[论文解读] Close-in planets around giant stars. Lack of hot-Jupiters and prevalence of multi-planetary systems

J. Lillo-Box, D. Barrado+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 25被引用 8

一句话总结

本研究分析了围绕巨星和亚巨星的13颗内侧行星，发现其中70.0±6.6%属于多行星系统，显著高于主序星宿主的42.4±0.1%。结果表明，轨道半长轴小于0.06 au的热木星可能在恒星演化过程中被吞噬，仅在0.06–0.5 au范围内留下多行星系统，这支持了潮汐吞噬模型，并揭示了主序后行星系统演化的一个关键观测趋势。

ABSTRACT

Extrasolar planets abound in almost any possible configuration. However, until five years ago, there was a lack of planets orbiting closer than 0.5 au to giant or subgiant stars. Since then, recent detections have started to populated this regime by confirming 13 planetary systems. We discuss the properties of these systems in terms of their formation and evolution off the main sequence. Interestingly, we find that $70.0\pm6.6$ % of the planets in this regime are inner components of multiplanetary systems. This value is 4.2$σ$ higher than for main-sequence hosts, which we find to be $42.4\pm0.1$ %. The properties of the known planets seem to indicate that the closest-in planets (a < 0.06 au) to main-sequence stars are massive (i.e., hot Jupiters) and isolated and that they are subsequently engulfed by their host as it evolves to the red giant branch, leaving only the predominant population of multiplanetary systems in orbits 0.06 < a < 0.5 au. We discuss the implications of this emerging observational trend in the context of formation and evolution of hot Jupiters.

研究动机与目标

• 研究演化巨星和亚巨星周围内侧行星的多重性和轨道分布。
• 确定在演化恒星周围极短周期（<0.06 au）区域缺乏热木星是否由于行星被吞噬所致。
• 将演化恒星周围内侧行星的多重性频率与主序星周围进行比较，以推断演化过程。
• 为后主序演化期间行星-恒星相互作用的理论模型提供观测约束。

提出的方法

• 作者整理了一个包含13颗确认或验证的系外行星的样本，其宿主恒星的log g < 3.8，半长轴a < 0.5 au，识别为亚巨星或红巨星分支宿主。
• 根据是否存在其他伴星，将系统分类为单行星或多行星系统，重点关注多行星系统中最内侧行星。
• 多重性分数计算为0.06 < a < 0.5 au范围内多行星系统数量与总系统数之比，统计不确定性通过自 resampling 方法传播。
• 将结果与主序星周围行星的多重性分数（42.4±0.1%）进行比较，采用4.2σ显著性检验评估差异。
• 本研究使用来自开普勒任务及地面巡天（如TAPAS、EXPRESS）的径向速度和凌星数据识别并验证样本。
• 参考了潮汐吞噬和Kozai-Lidov迁移的理论模型，以解释观测到的趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何尽管在主序星周围普遍存在，热木星（a < 0.06 au）却在巨星和亚巨星周围缺失？
• RQ2 演化恒星周围内侧行星（a < 0.5 au）的多重性频率与主序星宿主相比如何？
• RQ3 在演化恒星周围观测到的孤立热木星缺失是否支持潮汐吞噬在恒星演化过程中发生的假设？
• RQ4 引力相互作用或平均运动共振能否解释在演化恒星周围0.06–0.5 au范围内多行星系统的幸存？
• RQ5 行星质量与轨道距离在子星序和红巨星阶段的存活能力中起何种作用？

主要发现

• 在巨星和亚巨星周围，0.06 < a < 0.5 au范围内的内侧行星中，70.0±6.6%属于多行星系统，显著高于主序星宿主的42.4±0.1%。
• 多重性频率的差异在4.2σ水平上具有统计显著性，表明后主序阶段行星系统的演化并非随机过程。
• 在演化恒星样本中未发现轨道半长轴小于0.06 au的行星，表明此类紧密轨道上的热木星很可能在恒星演化过程中被吞噬。
• 演化恒星周围幸存的内侧行星主要集中在多行星系统中，暗示孤立热木星更易被破坏。
• 仅Kepler-56表现出接近2:1的平均运动共振，而Kepler-108和Kepler-432分别接近4:1和8:1共振，表明共振构型虽罕见但并非不存在。
• 结果支持理论模型，即大质量行星在子星序和红巨星阶段更易被吞噬，尤其当其轨道位于2–3倍恒星半径以内时。