[论文解读] Precise radial velocities of giant stars IX. HD 59686 Ab: a massive circumstellar planet orbiting a giant star in a ~13.6 au eccentric binary system

M. C. Gálvez-Ortiz, S. Reffert+12 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 145被引用 39

一句话总结

本研究报告发现了一颗质量巨大的系外行星 HD 59686 Ab，其最小质量为 6.92 M_Jup，围绕一颗 K-型巨星在紧密、偏心的双星系统中运行，伴星位于约 13.6 au 处。高精度径向速度测量与红外光谱分析排除了恒星活动的影响，确认了该信号的行星起源，这一发现对紧密双星系统中标准行星形成理论提出了挑战。

ABSTRACT

Context: For over 12 yr, we have carried out a precise radial velocity survey of a sample of 373 G and K giant stars using the Hamilton Échelle Spectrograph at Lick Observatory. There are, among others, a number of multiple planetary systems in our sample as well as several planetary candidates in stellar binaries. Aims: We aim at detecting and characterizing substellar+stellar companions to the giant star HD 59686 A (HR 2877, HIP 36616). Methods: We obtained high precision radial velocity (RV) measurements of the star HD 59686 A. By fitting a Keplerian model to the periodic changes in the RVs, we can assess the nature of companions in the system. In order to discriminate between RV variations due to non-radial pulsation or stellar spots we used infrared RVs taken with the CRIRES spectrograph at the Very Large Telescope. Additionally, to further characterize the system, we obtain high-resolution images with LMIRCam at the Large Binocular Telescope. Results: We report the likely discovery of a giant planet with a mass of $m_{p}~\sin i=6.92_{-0.24}^{+0.18}~M_{Jup}$ orbiting at $a_{p}=1.0860_{-0.0007}^{+0.0006}$ au from the giant star HD 59686 A. Besides the planetary signal, we discover an eccentric ($e_{B}=0.729_{-0.003}^{+0.004}$) binary companion with a mass of $m_{B}~\sin i=0.5296_{-0.0008}^{+0.0011}~M_{Sun}$ orbiting at a semi-major axis of just $a_{B}=13.56_{-0.14}^{+0.18}$ au. Conclusions: The existence of the planet HD 59686 Ab in a tight eccentric binary system severely challenges standard giant planet formation theories and requires substantial improvements to such theories in tight binaries. Otherwise, alternative planet formation scenarios such as second generation planets or dynamical interactions in an early phase of the system's lifetime should be seriously considered in order to better understand the origin of this enigmatic planet.

研究动机与目标

• 探测并表征围绕演化巨星 HD 59686 A 的褐矮星和恒星伴星。
• 确定径向速度变化是由行星信号引起，还是由恒星活动（如脉动或黑子）引起。
• 研究该系统的动力学结构，特别是近距离双星伴星的存在。
• 评估标准行星形成理论在存在质量巨大行星的紧密偏心双星系统中的适用性。
• 探讨其他形成机制，如第二代行星或早期系统演化中的动力学相互作用。

提出的方法

• 利用利克天文台的 Hamilton 棱镜光谱仪，在 12 年间获取了高精度径向速度测量数据。
• 对径向速度数据拟合开普勒轨道模型，以确定系外行星伴星的轨道参数。
• 利用甚大望远镜上的 CRIRES 光谱仪获取的红外径向速度数据，以区分行星信号与恒星活动。
• 利用大望远镜上的 LMIRCam 进行高分辨率成像，以分辨并表征双星伴星。
• 应用统计分析，包括 GLS 期谱分析，以确认行星信号的周期性与显著性。
• 采用潮汐截断与盘不稳定性模型，评估在双星环境中原位形成行星的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在巨星 HD 59686 A 周围探测到的周期性径向速度信号的本质是什么？
• RQ2 观测到的径向速度变化是否可归因于行星伴星，还是由恒星活动（如脉动或黑子）引起？
• RQ3 该系统中恒星双星伴星的轨道结构与质量如何？
• RQ4 在距离约 13.6 au 的紧密双星系统中，存在一颗质量巨大的行星（轨道半长轴为 1.09 au）是否与标准行星形成理论一致？
• RQ5 哪些替代形成机制（如第二代行星或早期系统演化中的动力学相互作用）可解释 HD 59686 Ab 的存在？

主要发现

• 已确认一颗质量巨大的行星 HD 59686 Ab，其最小质量为 6.92 M_Jup，轨道半长轴为 1.0860 au。
• 该系统包含一颗质量为 0.5296 M_sun、轨道偏心率为 0.729 的恒星双星伴星，距离主星 13.56 au。
• 红外径向速度测量结果排除了恒星活动作为信号来源的可能性，确认了径向速度变化的行星起源。
• 该行星轨道位于此类双星系统中预期的盘潮汐截断半径之内，因此通过核心吸积或盘不稳定性实现原位形成的理论不可行。
• 在距离约 13.6 au 的紧密双星系统中存在一颗质量巨大的行星，挑战了标准行星形成理论，提示需要采用替代机制。
• 第二代行星假说（即行星在白矮星残余物周围形成的盘中形成）仍是一种可行但未经证实的系统起源解释。