[论文解读] Planet-star interactions with precise transit timing. I. The refined orbital decay rate for WASP-12 b and initial constraints for HAT-P-23 b, KELT-1 b, KELT-16 b, WASP-33 b, and WASP-103 b

G. Maciejewski, M. Fernández+12 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 4

一句话总结

本研究通过精确的凌日时刻测量，对WASP-12 b的轨道衰减率进行了精细化分析，得出其潮汐品质参数 $ Q^{ ext{'}*} = (1.82 \pm 0.32) \times 10^5 $，与亚巨星恒星的理论预测一致。对于另外五颗热木星——HAT-P-23 b、KELT-1 b、KELT-16 b、WASP-33 b 和 WASP-103 b——未检测到显著的轨道衰减，由此得到其恒星潮汐品质参数的下限，表明主序星宿主的潮汐耗散弱于WASP-12的亚巨星恒星。

ABSTRACT

Theoretical calculations and some indirect observations show that massive exoplanets on tight orbits must decay due to tidal dissipation within their host stars. This orbital evolution could be observationally accessible through precise transit timing over a course of decades. The rate of planetary in-spiralling may not only help us to understand some aspects of evolution of planetary systems, but also can be used as a probe of the stellar internal structure. In this paper we present results of transit timing campaigns organised for a carefully selected sample of hot Jupiter-like planets which were found to be the best candidates for detecting planet-star tidal interactions on the Northern hemisphere. Among them, there is the WASP-12 system which is the best candidate for possessing an in-falling giant exoplanet. Our new observations support the scenario of orbital decay of WASP-12 b and allow us to refine its rate. The derived tidal quality parameter of the host star Q'_{*} = (1.82 +/- 0.32) x 10^5 is in agreement with theoretical predictions for subgiant stars. For the remaining systems - HAT-P-23, KELT-1, KELT-16, WASP-33, and WASP-103 - our transit timing data reveal no deviations from the constant-period models, hence constraints on the individual rates of orbital decay were placed. The tidal quality parameters of host stars in at least 4 systems - HAT-P-23, KELT-1, WASP-33, and WASP-103 - were found to be greater than the value reported for WASP-12. This is in line with the finding that those hosts are main sequence stars, for which efficiency of tidal dissipation is predicted to be relatively weak.

研究动机与目标

• 通过精确的凌日时刻测量，测定WASP-12 b的轨道衰减速率，以检验潮汐相互作用模型。
• 通过搜索恒定轨道周期的偏离，对另外五颗热木星系统——HAT-P-23 b、KELT-1 b、KELT-16 b、WASP-33 b 和 WASP-103 b——的潮汐耗散进行约束。
• 评估宿主恒星的潮汐品质参数 $ Q^{ ext{'}*} $，以探测恒星内部结构和耗散效率。
• 评估KELT-1等系统的动力学状态，其中潮汐锁定可能抑制角动量转移。
• 确定具有对流核心和辐射区的恒星（如WASP-33）是否表现出弱于亚巨星宿主的潮汐耗散。

提出的方法

• 利用多个地面望远镜开展长期凌日时刻观测，包括塞拉尼耶瓦达天文台的1.5米望远镜和利物浦望远镜。
• 从大加那利望远镜和耶拿大学天文台获取测光数据，以实现中天时刻测量的亚分钟级精度。
• 应用凌日时刻变差（TTV）分析，检测轨道周期恒定性的偏离，使用线性和二次历表模型拟合数据。
• 采用潮汐品质参数 $ Q^{ ext{'}*} = \frac{3}{2} \frac{Q_*}{k_2} $ 来量化潮汐耗散效率，其中 $ Q_* $ 为潮汐相位滞后倒数，$ k_2 $ 为二阶Love数。
• 结合不同内部结构（如亚巨星与主序星）恒星的潮汐耗散理论模型，解释观测约束结果。
• 将观测到的TTV趋势与平衡潮汐理论及辐射区中的动力潮汐阻尼预测进行比较，尤其针对具有A型光谱的WASP-33等恒星。

实验结果

研究问题

• RQ1 WASP-12 b的轨道衰减率是否与基于亚巨星恒星潮汐耗散的理论预测一致？
• RQ2 HAT-P-23 b、KELT-1 b、KELT-16 b、WASP-33 b 和 WASP-103 b 的凌日时刻变差是否显示出轨道衰减的证据？
• RQ3 这五颗系统宿主恒星的潮汐品质参数 $ Q^{ ext{'}*} $ 的下限是多少？与WASP-12 b的值相比如何？
• RQ4 恒星演化状态（如主序星与亚巨星）如何影响热木星系统中潮汐耗散的效率？
• RQ5 在KELT-1系统中，若恒星与行星均处于潮汐锁定状态，是否可解释观测中未检测到轨道衰减？

主要发现

• 对WASP-12 b的轨道衰减率进行优化后，得出其潮汐品质参数为 $ Q^{ ext{'}*} = (1.82 \pm 0.32) \times 10^5 $，与亚巨星恒星的理论预期一致。
• 在HAT-P-23 b、KELT-1 b、KELT-16 b、WASP-33 b 和 WASP-103 b 中均未检测到显著的凌日时刻变差，表明在观测基线内无可观测的轨道衰减。
• HAT-P-23、KELT-1、WASP-33 和 WASP-103 宿主恒星的潮汐品质参数被约束为高于WASP-12，表明主序星中潮汐耗散更弱。
• 对于KELT-16 b，3年基线不足以对 $ Q^{ ext{'}*} $ 提供有意义的约束，但系统未表现出衰减迹象。
• WASP-33 和 WASP-103 的宿主恒星均为A型星，具有辐射区和对流核心，理论预测其潮汐耗散效率较低，与观测到的TTV缺失一致。
• 光谱学证据证实WASP-33 和 WASP-103 为主序星，支持理论预期：与WASP-12的亚巨星宿主相比，其潮汐耗散效率更低。