[论文解读] Observation of the full 12-hour-long transit of the exoplanet HD80606b. Warm-Spitzer photometry and SOPHIE spectroscopy

G. Hébrard, J. -M. Désert+25 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 85被引用 81

一句话总结

本研究通过同时进行的温暖斯皮策红外测光和地面SOPHIE径向速度光谱观测，首次完整记录了高偏心率系外行星HD 80606b的12小时凌日过程。数据将行星与恒星的半径比精确至0.1001 ± 0.0006，确认存在显著的自转轨道倾角失配（λ = 42° ± 8°），并揭示了可能的凌日时刻变化和恒星黑子特征，表明大质量行星与木星质量行星相比可能具有不同的演化路径。

ABSTRACT

We present new observations of a transit of the 111-day-period exoplanet HD80606b. Using the Spitzer Space Telescope and its IRAC camera on the post-cryogenic mission, we performed a 19-hour-long photometric observation of HD80606 that covers the full transit of 13-14 January 2010. We complement this photometric data by new spectroscopic observations that we simultaneously performed with SOPHIE at Haute-Provence Observatory. This provides radial velocity measurements of the first half of the transit that was previously uncovered with spectroscopy. This new data set allows the parameters of this singular planetary system to be significantly refined. We obtained a planet-to-star radius ratio R_p/R_* = 0.1001 +/- 0.0006 that is slightly lower than the one measured from previous ground observations. We detected a feature in the Spitzer light curve that could be due to a stellar spot. We also found a transit timing about 20 minutes earlier than the ephemeris prediction; this could be caused by actual TTVs due to an additional body in the system or by underestimated systematic uncertainties. The sky-projected angle between the spin-axis of HD80606 and the normal to the planetary orbital plane is found to be lambda = 42 +/- 8 degrees thanks to the fit of the Rossiter-McLaughlin anomaly. This allows scenarios with aligned spin-orbit to be definitively rejected. Over the twenty planetary systems with measured spin-orbit angles, a few of them are misaligned; this is probably the signature of two different evolution scenarios for misaligned and aligned systems, depending if they experienced or not gravitational interaction with a third body. As in the case of HD80606b, most of the planetary systems including a massive planet are tilted; this could be the signature of a separate evolution scenario for massive planets in comparison with Jupiter-mass planets.

研究动机与目标

• 观测由于高轨道偏心率（e = 0.9）导致的异常长时长12小时凌日过程。
• 通过同步高精度空间测光与地面径向速度测量，提高行星和恒星参数的精度。
• 研究该系统的自转轨道对齐情况，并评估观测到的失配是否与动力学迁移模型一致。
• 搜索可能的异常现象，如凌日时刻变化或恒星黑子，以判断是否存在额外天体或恒星活动。

提出的方法

• 于2010年1月13日至14日期间，利用斯皮策望远镜IRAC进行19小时的温暖斯皮策红外测光观测，覆盖了HD 80606b的完整12小时凌日过程。
• 在凌日过程的前半段，使用位于上普罗旺斯天文台的SOPHIE光谱仪同步进行径向速度测量。
• 通过联合测光与光谱建模，优化行星和恒星参数，包括行星与恒星的半径比及轨道倾角。
• 通过拟合Rossiter-McLaughlin异常效应，测量天空投影的自转轨道角λ。
• 采用系统误差建模方法，评估凌日时刻和光曲线形状中潜在的偏差。
• 对比红外与光学波段的半径测量结果，探究可能由系统误差或天体物理效应引起的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 HD 80606b的行星与恒星半径比R_p/R_*的真实值是多少？其红外与光学观测结果之间是否存在差异？
• RQ2 观测到的凌日时刻是否与星历表一致？是否存在凌日时刻变化的迹象，提示存在第三颗天体？
• RQ3 真实的自转轨道角λ是多少？该结果是否支持或反驳大质量行星自转轨道对齐的假设？
• RQ4 是否存在可探测的恒星特征（如黑子）影响凌日光曲线？
• RQ5 光学与红外波段半径测量结果之间的差异，是源于系统误差还是物理效应？

主要发现

• 行星与恒星的半径比被精确修正为R_p/R_* = 0.1001 ± 0.0006，其精度更高但略低于以往的光学测量值。
• 未发现光学与红外半径差异的天体物理解释；地面数据中的系统不确定性被视作最可能的原因。
• 在斯皮策光曲线中检测到可能的恒星黑子特征，表明该原本静止的恒星表面存在非均质性。
• 观测到的凌日时间比星历表预测约提前20分钟，提示可能存在凌日时刻变化，可能暗示存在额外的扰动天体。
• 自转轨道角测量结果为λ = 42° ± 8°，证实存在显著的失配，排除了自转轨道对齐的配置。
• 结果支持一种情景：像HD 80606b这样的大质量行星可能经历与低质量木星类行星不同的动力学演化过程——极有可能涉及强烈的引力相互作用。