[论文解读] Spin-orbit angle measurements for six southern transiting planets; New insights into the dynamical origins of hot Jupiters

A. H. M. J. Triaud, A. Collier Cameron+15 more|Research Portal (Queen's University Belfast)|Aug 13, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 90被引用 273

一句话总结

本研究利用 HARPS 和 CORALIE 光谱仪通过 Rossiter-McLaughlin 效应测量了六个南天天蝎系热木星的自转-轨道角，发现 50% 的热木星具有超过 30° 的自转-轨道角，强烈支持动力学起源（如 Kozai 机制）而非标准的盘迁移理论。

ABSTRACT

For transiting planets, the Rossiter-McLaughlin effect allows the measurement of the sky-projected angle beta between the stellar rotation axis and a planet's orbital axis. Using the HARPS spectrograph, we observed the Rossiter-McLaughlin effect for six transiting hot Jupiters found by the WASP consortium. We combine these with long term radial velocity measurements obtained with CORALIE. We found that three of our targets have a projected spin-orbit angle above 90 degrees: WASP-2b: beta = 153 (+11 -15), WASP-15b: beta = 139.6 (+5.2 -4.3) and WASP-17b: beta = 148.5 (+5.1 -4.2); the other three (WASP-4b, WASP-5b and WASP-18b) have angles compatible with 0 degrees. There is no dependence between the misaligned angle and planet mass nor with any other planetary parameter. All orbits are close to circular, with only one firm detection of eccentricity on WASP-18b with e = 0.00848 (+0.00085 -0.00095). No long term radial acceleration was detected for any of the targets. Combining all previous 20 measurements of beta and our six, we attempt to statistically determine the distribution of the real spin-orbit angle psi and find that between about 45 and 85 % of hot Jupiters have psi > 30 degrees. Observations and predictions using the Kozai mechanism match well. If these observational facts are confirmed in the future, we may then conclude that most hot Jupiters are formed from a dynamical and tidal origin without the necessity to use type I or II migration. At present, standard disc migration cannot explain the observations without invoking at least another additional process.

研究动机与目标

• 利用高分辨率光谱学测量六个凌星热木星的天空投影自转-轨道角 β。
• 评估自转-轨道倾角与行星质量、偏心率和半长轴等参数之间的相关性。
• 检测长期径向速度变化，以探测系统中是否存在额外的伴星。
• 通过光度和径向速度联合 MCMC 分析，从观测到的 β 值统计推断真实的自转-轨道角 ψ。
• 评估观测到的自转-轨道分布与 Kozai 机制和盘迁移等理论模型的一致性。

提出的方法

• 利用欧洲南方天文台 3.6 米望远镜上的 HARPS 光谱仪和拉西拉天文台 1.2 米 Euler 望远镜上的 CORALIE 光谱仪观测到的 Rossiter-McLaughlin 效应。
• 使用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）方法联合拟合凌星光度和径向速度数据，以推导 β 及其不确定性。
• 通过统计建模将观测到的 β 值转换为真实自转-轨道角 ψ 的分布，以考虑投影效应。
• 将新获得的六个测量值与先前的 20 个测量值结合，构建 26 个热木星的 ψ 累积分布。
• 评估观测到的 ψ 分布与 Kozai 机制和潮汐圆化模型预测的一致性。
• 搜索长期径向速度趋势，以探测系统中是否存在额外的大质量天体。

Figure 1: Fit results for WASP-2b. a) Overall Doppler shift reflex motion of the star due to the planet and residuals. b) Zoom on the Rossiter-McLaughlin effect and residuals. Black inverted triangles are SOPHIE data, black triangles represent CORALIE points, red dots show the HARPS data. The best f

实验结果

研究问题

• RQ1 热木星的轨道轴与宿主恒星自转轴之间的对齐程度如何？
• RQ2 自转-轨道倾角是否与行星质量、偏心率或半长轴相关？
• RQ3 观测到的自转-轨道角是否支持 Kozai 机制或盘迁移作为热木星形成的主导路径？
• RQ4 是否存在长期径向速度变化，表明系统中存在额外的伴星？
• RQ5 有多少比例的热木星具有超过 30° 的真实自转-轨道角？与理论预期相比如何？

主要发现

• 三颗行星——WASP-2b、WASP-15b 和 WASP-17b——表现出显著的自转-轨道倾角，其 β 值分别为 153°⁺¹¹₋₁₅、139.6°⁺⁵.²₋₄.₃ 和 148.5°⁺⁵.¹₋₄.₂，表明其为逆行运动。
• 其余三颗行星——WASP-4b、WASP-5b 和 WASP-18b——的自转-轨道角与对齐一致（β ≈ 0°），其中 WASP-18b 显示出微小但确定的偏心率 e = 0.00848⁺⁰.⁰⁰⁰⁸⁵₋₀.⁰⁰⁰⁹⁵。
• 未检测到长期径向速度加速度，表明系统中不存在显著的额外大质量伴星。
• 当与先前的 20 个测量值结合时，累积分布显示 45% 至 85% 的热木星具有真实自转-轨道角 ψ > 30°，表明广泛存在倾角。
• 观测到的自转-轨道角分布与基于 Kozai 机制后接潮汐圆化的理论模型一致，表明大多数热木星具有动力学起源。
• 仅靠标准盘迁移模型无法解释观测到的倾角，除非引入额外的动力学过程。

Figure 2: Fit results for WASP-4b. Nota Bene : Legend similar to the legend in Fig. 1 .