[论文解读] SOPHIE velocimetry of Kepler transit candidates: X KOI-142c: first radial velocity confirmation of a non-transiting exoplanet discovered by transit timing

S. C. C. Barros, R. F. Díaz+10 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2013

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 41被引用 15

一句话总结

该论文首次通过径向速度观测确认了开普勒-88系统中通过凌日时间变卦（TTVs）发现的非凌星系外行星KOI-142c。利用高级普罗旺斯天文台的SOPHIE光谱仪，研究确认了一颗轨道周期为22.10 ± 0.25天、最小质量为0.76⁺⁰.³²₋₀.¹⁶ M_Jup的系外行星伴侣，与先前基于TTV的预测高度一致，验证了TTV方法在多行星系统中发现系外行星的可靠性。

ABSTRACT

The exoplanet KOI-142b (Kepler-88b) shows transit timing variations (TTVs) with a semi-amplitude of $\sim 12\,$ hours, earning the nickname of "king of transit variations". Only the transit of the planet b was detected in the Kepler data with an orbital period of $\sim 10.92\,$ days and a radius of $\sim 0.36$ R$_{\mathrm{Jup}}$. The TTVs together with the transit duration variations (TDVs) of KOI-142b were analysed by Nesvorny et al. (2013) who found a unique solution for a companion perturbing planet. The authors predicted an outer non-transiting companion, KOI-142c, with a mass of $0.626\pm 0.03$ M$_{\mathrm{Jup}}$ and a period of $22.3397^{+0.0021}_{-0.0018}\,$days, and hence close to the 2:1 mean-motion resonance with the inner transiting planet. We report independent confirmation of KOI-142c using radial velocity observations with the SOPHIE spectrograph at the Observatoire de Haute-Provence. We derive an orbital period of $22.10 \pm 0.25\,$days and a minimum planetary mass of $0.76^{+0.32}_{0.16}\,$ M$_{\mathrm{Jup}}$, both in good agreement with the predictions by previous transit timing analysis. Therefore, this is the first radial velocity confirmation of a non-transiting planet discovered with transit timing variations, providing an independent validation of the TTVs technique.

研究动机与目标

• 独立确认KOI-142c的存在，该行星是开普勒-88系统中通过凌日时间变卦（TTVs）预测的非凌星系外行星。
• 检验TTV方法在多行星系统中探测非凌星系外行星的可靠性与有效性。
• 提供径向速度测量结果，以约束KOI-142c的轨道参数和最小质量。
• 评估TTV信号是否主要由预测的伴星引起，或受系统中其他未见天体的影响。
• 为理解接近2:1平均运动共振的共振行星系统的动力学结构与形成历史做出贡献。

提出的方法

• 在2013年7月1日至2013年11月14日期间，使用高级普罗旺斯天文台1.93米望远镜上的SOPHIE光谱仪获取了高精度径向速度测量数据。
• 共以高效率（HE）模式收集了11次径向速度观测，光谱分辨率R ≈ 40,000。
• 采用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）方法，结合非信息性先验，对径向速度数据拟合开普勒轨道模型。
• 通过高分辨率光谱和光度测量，推导出恒星的有效温度、金属丰度和密度，并利用达特茅斯恒星演化模型插值法约束主星质量。
• 采用贝叶斯框架对轨道解进行优化，以估计周期、半振幅和最小行星质量的不确定性。
• 以Nesvorný等人（2013）的动力学模型为参考，比较预测与观测参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过径向速度观测独立确认KOI-142c系统中由TTV预测的非凌星系外行星的存在？
• RQ2 KOI-142c的实测径向速度参数与Nesvorný等人（2013）基于TTV预测的值匹配程度如何？
• RQ3 KOI-142b的TTV信号是否主要由预测的伴星KOI-142c引起，还是可能受系统中其他未见行星的影响？
• RQ4 径向速度结果对KOI-142c的真实质量和轨道倾角设定了何种约束？
• RQ5 观测到的系统构型——略偏离2:1平均运动共振且具有非零偏心率——是否支持涉及行星-盘或行星-行星相互作用的形成模型？

主要发现

• 径向速度数据揭示出一个周期为22.10 ± 0.25天的清晰信号，与TTV预测的KOI-142c周期22.3397⁺⁰.⁰⁰²¹₋₀.⁰⁰¹⁸天高度一致。
• 推导出的最小行星质量为0.76⁺⁰.³²₋₀.¹⁶ M_Jup，与TTV预测的0.626 ± 0.03 M_Jup高度一致。
• KOI-142c的轨道倾角估计为86.2 ± 1.5°，表明真实质量非常接近最小质量，因为系统几乎为倾角视向。
• TTV预测与径向速度测量结果之间的一致性，验证了TTV方法作为探测非凌星系外行星的可靠工具。
• RV与TTV质量估计之间无显著差异，表明TTV信号未受到系统中其他未见行星的显著扰动。
• 系统构型略偏离2:1平均运动共振且具有非零偏心率，支持涉及行星-盘或行星-行星相互作用的形成情景。