[论文解读] Precise radial velocities of giant stars XIII. A second Jupiter orbiting in 4:3 resonance in the 7 CMa system

R. Luque, Trifon Trifonov+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 45被引用 13

一句话总结

本研究报告在K-型巨星恒星7 Canum Majoris周围发现了一颗第二颗木星质量的行星（mc sin i ≈ 0.9 MJ），其与已知的巨行星（mb sin i ≈ 1.9 MJ）处于4:3平均运动共振。利用来自Lick、HARPS、UCLES和SONG的166次高精度径向速度测量，作者采用N体动力学建模和贝叶斯稳定性分析，确认该系统被稳定地捕获在4:3共振中，使其成为通过多普勒监测发现的第三例此类系统，也是对行星形成模型的重要检验。

ABSTRACT

We report the discovery of a second planet orbiting the K giant star 7 CMa based on 166 high-precision radial velocities obtained with Lick, HARPS, UCLES and SONG. The periodogram analysis reveals two periodic signals of approximately 745 and 980 d, associated to planetary companions. A double-Keplerian orbital fit of the data reveals two Jupiter-like planets with minimum masses $m_b\sin i \sim 1.9 \,\mathrm{M_{J}}$ and $m_c\sin i \sim 0.9 \,\mathrm{M_{J}}$, orbiting at semi-major axes of $a_b \sim 1.75\,\mathrm{au}$ and $a_c \sim 2.15\,\mathrm{au}$, respectively. Given the small orbital separation and the large minimum masses of the planets close encounters may occur within the time baseline of the observations, thus, a more accurate N-body dynamical modeling of the available data is performed. The dynamical best-fit solution leads to collision of the planets and we explore the long-term stable configuration of the system in a Bayesian framework, confirming that 13% of the posterior samples are stable for at least 10 Myr. The result from the stability analysis indicates that the two-planets are trapped in a low-eccentricity 4:3 mean-motion resonance. This is only the third discovered system to be inside a 4:3 resonance, making it very valuable for planet formation and orbital evolution models.

研究动机与目标

• 在已知拥有一颗巨行星的多行星系统7 Canum Majoris中探测额外的行星伴。
• 通过长期动力学稳定性分析，解决稀疏径向速度数据带来的轨道解模糊性。
• 确定两颗行星是否处于稳定的平均运动共振中，特别是罕见的4:3共振。
• 研究在演化恒星周围以共振构型存在的大质量行星的形成与演化机制。

提出的方法

• 在19年内，从四个仪器（Lick、HARPS、UCLES和SONG）获取166次高精度径向速度测量。
• 通过周期图分析检测径向速度数据中的周期性信号，识别出约745天和约980天的两个显著信号。
• 采用双开普勒轨道拟合估算两颗行星的初始轨道参数和最小质量。
• 使用MVS积分器进行N体动力学建模，模拟系统的长期演化并评估其在10 Myr内的稳定性。
• 在贝叶斯框架下采样轨道参数的后验分布，识别稳定构型。
• 分析共振角（σb 和 σc）以确定系统是否在4:3平均运动共振中振荡。

实验结果

研究问题

• RQ1 在7 Canum Majoris的径向速度数据中，除已知行星外是否存在额外的行星信号？
• RQ2 观测到的745天和980天信号是否与一个处于稳定平均运动共振中的双行星系统一致？
• RQ3 考虑到仅凭径向速度数据无法完全约束周期和偏心率，系统的真正轨道构型是什么？
• RQ4 该系统在长时间 timescale 上是否具有动力学稳定性，且是否处于4:3平均运动共振中？
• RQ5 在拥有两颗大质量木星系行星的系统中存在4:3共振，对行星形成与迁移模型有何启示？

主要发现

• 该系统包含两颗巨行星，其最小质量分别为 mb sin i ≈ 1.9 MJ 和 mc sin i ≈ 0.9 MJ，分别以1.75 au和2.15 au的半长轴运行。
• 两颗行星处于稳定的4:3平均运动共振中，共振角σc围绕180°振荡，证实了动力学捕获。
• 在MCMC分析的后验样本中，仅有13%在10 Myr内保持稳定，表明该共振是动力学受限的，而非统计巧合。
• 动力学最优拟合解显示存在强烈的引力相互作用和近距离飞掠，但由于共振保护，系统在10 Myr内仍保持稳定。
• 这是通过多普勒监测发现的第三例4:3共振系统（继HD 200964和HD 5319之后），且所有系统均围绕演化恒星运行，恒星半径在4至5 R⊙之间。
• 该系统的构型对现有行星形成模型构成挑战，因为通过2:1和3:2共振的会合迁移要求迁移速率异常快，除非满足特定的原行星盘条件。