[论文解读] Kepler-91b: a planet at the end of its life. Planet and giant host star properties via light-curve variations

J. Lillo-Box, D. Barrado+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2013

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 95被引用 76

一句话总结

本研究确认开普勒-91b是一颗质量大、受强烈辐射的气态巨行星，围绕一颗K3型巨星在近距离、偏心轨道上运行，有充分证据表明其将在5500万年内被其主星吞噬。利用开普勒望远镜的光度观测、星震学分析和高分辨率光谱学，研究者确定了该行星的半径（1.384 R_Jup）、质量（0.88 M_Jup）及轨道参数，使其成为目前已知距离巨星最近的系外行星，从其表面观测，恒星在天空中占据超过36%的视场。

ABSTRACT

The evolution of planetary systems is intimately linked to the evolution of their host star. Our understanding of the whole planetary evolution process is based on the large planet diversity observed so far. To date, only few tens of planets have been discovered orbiting stars ascending the Red Giant Branch. Although several theories have been proposed, the question of how planets die remains open due to the small number statistics. In this work we study the giant star Kepler-91 (KOI-2133) in order to determine the nature of a transiting companion. This system was detected by the Kepler Space Telescope. However, its planetary confirmation is needed. We confirm the planetary nature of the object transiting the star Kepler-91 by deriving a mass of $ M_p=0.88^{+0.17}_{-0.33} ~M_{ m Jup}$ and a planetary radius of $R_p=1.384^{+0.011}_{-0.054} ~R_{ m Jup}$. Asteroseismic analysis produces a stellar radius of $R_{\star}=6.30\pm 0.16 ~R_{\odot}$ and a mass of $M_{\star}=1.31\pm 0.10 ~ M_{\odot} $. We find that its eccentric orbit ($e=0.066^{+0.013}_{-0.017}$) is just $1.32^{+0.07}_{-0.22} ~ R_{\star}$ away from the stellar atmosphere at the pericenter. Kepler-91b could be the previous stage of the planet engulfment, recently detected for BD+48 740. Our estimations show that Kepler-91b will be swallowed by its host star in less than 55 Myr. Among the confirmed planets around giant stars, this is the planetary-mass body closest to its host star. At pericenter passage, the star subtends an angle of $48^{\circ}$, covering around 10% of the sky as seen from the planet. The planetary atmosphere seems to be inflated probably due to the high stellar irradiation.

研究动机与目标

• 确认开普勒-91b这一凌星天体的行星性质，其围绕一颗K3型巨星运行，并在开普勒光 light curve 中表现出微小且周期性的变暗现象。
• 利用星震学分析与高分辨率光谱学精确测定恒星与行星参数，以解决开普勒望远镜像素尺寸较大带来的不确定性。
• 评估该系统的动力学稳定性及其演化命运，特别是判断该行星是否正处在被其主星吞噬的临界阶段。
• 扩展已知围绕演化后主序星运行的系外行星样本，尤其是那些处于近距离轨道的行星，以检验行星系统演化与行星吞噬的理论模型。

提出的方法

• 分析开普勒空间望远镜的光度数据，重新计算凌星参数，并检测由反射光、椭球变光和多普勒束效应引起的光曲线调制。
• 对开普勒光曲线中的恒星振荡进行星震学分析，精确推导出恒星质量（1.31 ± 0.10 M☉）与半径（6.30 ± 0.16 R☉）。
• 利用卡拉斯托天文台光纤馈送的衍射光栅光谱仪（CAFE）进行高分辨率光谱观测，测量恒星的径向速度与金属丰度。
• 利用AstraLux幸运成像相机进行高空间分辨率成像，排除背景双星食变等假阳性情形。
• 通过凌星时刻与光曲线调制的联合拟合，推导出行星的轨道距离（a/R⋆ = 2.45）与偏心率（e = 0.066）。
• 与理论模型对比，基于恒星演化与轨道衰减过程估算行星被吞噬的时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 凌星天体开普勒-91b是行星，还是由恒星伴星引起的假阳性信号？
• RQ2 开普勒-91b的精确质量和半径是多少？其与受辐射影响的气态巨行星理论预期值相比如何？
• RQ3 开普勒-91b的轨道构型如何？其与主星的接近程度是否表明其即将被吞噬？
• RQ4 该系统的演化命运如何？与BD+48 740或HIP 13044等其他已知系统相比有何异同？
• RQ5 为何开普勒-91b在距离巨星极近的轨道上仍具有非零偏心率？

主要发现

• 开普勒-91b的行星性质得到确认，其质量为0.88⁺⁰.¹⁷₋₀.³³ M_Jup，半径为1.384⁺⁰.⁰¹¹₋₀.⁰⁵⁴ R_Jup。
• 主星质量为1.31 ± 0.10 M☉，半径为6.30 ± 0.16 R☉，与处于红巨星分支的K3型巨星一致。
• 该行星距离恒星2.45⁺⁰.¹⁵₋₀.³³ R⋆，偏心率为0.066⁺⁰.⁰¹³₋₀.⁰¹⁷，近日点距离恒星表面仅1.32⁺⁰.⁰⁷₋₀.²² R⋆。
• 恒星外层将在5500万年内抵达该行星近日点，表明开普勒-91b正处于被吞噬的临界阶段。
• 从行星表面观测，恒星所张视角达48°，占据天空超过36%的面积，并照亮其大气约70%的区域。
• 该行星极低的平均密度（0.33⁺⁰.¹⁰₋₀.⁰⁵ ρ_Jup）可归因于强烈的恒星辐射导致大气层膨胀。