[论文解读] Gravitational Microlensing Evidence for a Planet Orbiting a Binary Star System

D. P. Bennett, Sun Hong Rhie+13 more|University of North Texas Digital Library (University of North Texas)|Aug 4, 1999

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 25被引用 40

一句话总结

该论文报告了引力微透镜观测证据，显示一颗质量约为3倍木星质量的类木行星围绕一个由晚型K型矮星和M型矮星组成的双星系统运行，两颗恒星相距约1.8 AU。该发现基于MACHO-97-BLG-41事件光变曲线的偏离，是首次通过微透镜法探测到双星系统中的行星，提示巨行星在双星系统中可能较为常见。

ABSTRACT

The study of extra-solar planetary systems has emerged as a new discipline of observational astronomy in the past few years with the discovery of a number of extra-solar planets. The properties of most of these extra-solar planets were not anticipated by theoretical work on the formation of planetary systems. Here we report observations and light curve modeling of gravitational microlensing event MACHO-97-BLG-41, which indicates that the lens system consists of a planet orbiting a binary star system. According to this model, the mass ratio of the binary star system is 3.8:1 and the stars are most likely to be a late K dwarf and an M dwarf with a separation of about 1.8 AU. A planet of about 3 Jupiter masses orbits this system at a distance of about 7 AU. If our interpretation of this light curve is correct, it represents the first discovery of a planet orbiting a binary star system and the first detection of a Jovian planet via the gravitational microlensing technique. It suggests that giant planets may be common in short period binary star systems.

研究动机与目标

• 利用引力微透镜法探测系外行星，特别是探测在双星系统中信号更明显的行星。
• 解析微透镜事件MACHO-97-BLG-41光变曲线中的异常，该异常偏离了单透镜模型的预测。
• 通过多波段测光和光变曲线建模，区分行星透镜与双星源透镜的两种情形。
• 确定透镜系统的动力学参数，包括质量、分离距离及轨道构型。
• 评估在短周期双星系统中行星形成的可能性，与径向速度探测的系统偏差进行对比。

提出的方法

• 分析了MACHO、MPS和GMAN合作项目的联合测光数据，以建模微透镜事件MACHO-97-BLG-41的光变曲线。
• 采用三重透镜建模方法，将透镜视为三个质量组成的系统：两颗恒星和一颗行星，质量分数分别为0.7870、0.2086和0.0044。
• 以爱因斯坦半径 $ R_E $ 作为基本尺度，关键参数包括 $ t_E = 27.832 $ 天和 $ u_{\text{min}} = 0.0679 R_E $。
• 利用轨迹参数建模临界点穿越特征，包括源星接近角 $ -64.81^\circ $ 及分离向量 $ 0.4822 R_E $ 和 $ 1.768 R_E $。
• 应用边缘暗化参数（R、V、MACHO-R波段）以估算源星半径穿越时间 $ t_* = 0.16 $ 天。
• 由 $ t_* $ 和 $ t_E $ 推导出自行 $ \mu = 6.7 \pm 1.7 $ 毫角秒/年，结合银河系运动学和亮度约束，实现距离与质量的估算。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多重透镜光变曲线复杂的情况下，引力微透镜能否探测到绕双星系统运行的行星？
• RQ2 为何MACHO-97-BLG-41的光变曲线偏离单透镜和静态双星透镜模型？这对透镜系统有何启示？
• RQ3 观测到的异常更可能由绕双星运行的行星引起，还是由双星源星系统引起？
• RQ4 该透镜系统的动力学参数（质量、分离距离、轨道构型）为何？与理论预期相比如何？
• RQ5 该探测是否表明类木行星在短周期双星系统中的出现频率高于以往认知？

主要发现

• 最佳拟合模型显示，透镜系统总质量为 $ 0.8 \pm 0.4 \, M_\odot $，距离为 $ 6.3^{+0.6}_{-1.3} \, \text{kpc} $。
• 两颗恒星的质量分别为 $ M_1 = 0.6 \pm 0.3 \, M_\odot $ 和 $ M_2 = 0.16 \pm 0.08 \, M_\odot $，与K型矮星和M型矮星双星系统一致。
• 行星质量为 $ 0.0033 \pm 0.0017 \, M_\odot $，相当于 $ 3.5 \pm 1.8 $ 木星质量，其投影分离距离为 $ 5.7^{+0.6}_{-1.1} \, \text{AU} $，位于质心之外。
• 行星与双星质心之间最可能的三维分离距离为 $ 7.0 \, \text{AU} $，恒星间分离距离为 $ 1.8 \, \text{AU} $。
• 源星半径穿越时间 $ t_* = 0.16 \, \text{天} $ 与自行 $ \mu = 6.7 \pm 1.7 \, \text{mas/yr} $ 与位于 $ 8.5 \, \text{kpc} $ 处的银河系银心源一致。
• MACHO数据中未观测到显著的颜色偏移，排除了双星源为主要解释，支持异常源于行星的结论。