[论文解读] Planet-star interactions with precise transit timing. II. The radial-velocity tides and a tighter constraint on the orbital decay rate in the WASP-18 system

G. Maciejewski, Heather A. Knutson+5 more|Conicet|Apr 14, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用 9

一句话总结

本研究分析了WASP-18系统28年来的径向速度（RV）变化和凌日时间数据，以探究质量巨大的热木星WASP-18b与其宿主恒星之间的潮汐相互作用。研究检测到与准平衡潮汐理论一致的径向速度潮汐信号，并对恒星的修正潮汐品质因数设定了更严格的约束，发现$Q^{\text{'}}_{\star} > 3.9 \times 10^6$（95%置信水平），表明其潮汐耗散比以往假设的更弱。

ABSTRACT

From its discovery, the WASP-18 system with its massive transiting planet on a tight orbit was identified as a unique laboratory for studies on tidal planet-star interactions. In an analysis of Doppler data, which include five new measurements obtained with the HIRES/Keck-I instrument between 2012 and 2018, we show that the radial velocity signal of the photosphere following the planetary tidal potential can be distilled for the host star. Its amplitude is in agreement with both theoretical predictions of the equilibrium tide approximation and an ellipsoidal modulation observed in an orbital phase curve. Assuming a circular orbit, we refine system parameters using photometric time series from TESS. With a new ground-based photometric observation, we extend the span of transit timing observations to 28 years in order to probe the rate of the orbital period shortening. Since we found no departure from a constant-period model, we conclude that the modified tidal quality parameter of the host star must be greater than 3.9x10^6 with 95% confidence. This result is in line with conclusions drawn from studies of the population of hot Jupiters, predicting that the efficiency of tidal dissipation is 1 or 2 orders of magnitude weaker. As the WASP-18 system is one of the prime candidates for detection of orbital decay, further timing observations are expected to push the boundaries of our knowledge on stellar interiors.

研究动机与目标

• 检测并表征由系外行星潮汐势在宿主恒星WASP-18A上诱导的径向速度潮汐信号。
• 利用TESS光度数据和新的地面凌日观测，进一步优化轨道与系统参数。
• 通过分析长期凌日时间变化，约束WASP-18A的修正潮汐品质因数$Q^\prime_\star$。
• 检验在WASP-18系统中，由于潮汐耗散导致的轨道衰减是否可在当前数据中被探测到，鉴于该系统是内旋热木星的首选候选者。

提出的方法

• 在2012至2018年间，利用HIRES/Keck-I光谱仪获取了5次新的高精度径向速度测量，并对所有先前的HIRES数据进行了重新处理以保证一致性。
• 将RV数据与TESS及地面观测的光变曲线相结合，以优化轨道与恒星参数。
• 在28年的时间基线上执行统一的凌日时间分析，以检测是否存在偏离线性星历的迹象，从而指示轨道衰减。
• 使用准平衡潮汐近似建模径向速度潮汐信号，并与观测到的RV变化进行比较。
• 采用贝叶斯分析，通过将观测到的凌日时间残差与轨道衰减的理论预测进行比较，以约束$Q^\prime_\star$。
• 整合来自CORALIE和Planet Finder光谱仪的额外RV测量，以提升数据覆盖范围与精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在WASP-18A的RV数据中成功分离并测量由行星潮汐势诱导的径向速度潮汐信号？
• RQ2 基于28年凌日时间观测，WASP-18系统中是否存在轨道衰减的证据？
• RQ3 所测得的潮汐RV信号振幅与基于准平衡潮汐模型的理论预测相比如何？
• RQ4 基于当前时间数据，WASP-18A的修正潮汐品质因数$Q^\prime_\star$的最紧可能下限是多少？
• RQ5 观测数据是否支持WASP-18A中潮汐耗散弱于经典值$Q^\prime_\star = 10^6$的假设？

主要发现

• 成功从WASP-18A的径向速度数据中分离出由行星潮汐势诱导的信号，其振幅与准平衡潮汐模型的理论预测一致。
• 观测到的潮汐RV信号振幅与TESS轨道相位曲线中观测到的200 ppm椭球调制振幅一致，证实了光度与光谱潮汐信号之间的一致性。
• 在28年凌日时间基线上未检测到显著偏离线性星历的迹象，表明在此期间未观测到可测量的轨道衰减。
• WASP-18A的修正潮汐品质因数被约束为$Q^\prime_\star > 3.9 \times 10^6$（95%置信水平），排除了更低的值。
• 该约束与近期对热木星群体的研究结果一致，表明其潮汐耗散比经典值$10^6$弱1至2个数量级。
• 该系统仍是探测轨道衰减的首选候选者，未来TESS观测有望进一步收紧对$Q^\prime_\star$的约束。