[论文解读] The barycentric motion of exoplanet host stars: tests of solar spin-orbit coupling

M. A. C. Perryman, T. Schulze-Hartung|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2010

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

一句话总结

本文分析系外行星宿主恒星的质心运动，以检验其轨道角动量变化是否与恒星活动相关，正如太阳所假设的那样。利用已发表的轨道元素，研究识别出复杂且极端的运动模式——包括快速变化和负角动量区间——为测试太阳自转-轨道耦合理论提供了关键系统，如 HD 168443 和 HD 74156。

ABSTRACT

Empirical evidence suggests a tantalising but unproven link between various indicators of solar activity and the barycentric motion of the Sun. The latter is exemplified by transitions between regular and more disordered motion modulated by the motions of the giant planets, and rare periods of retrograde motion with negative orbital angular momentum. An examination of the barycentric motion of exoplanet host stars, and their stellar activity cycles, has the potential of proving or disproving the Sun's motion as an underlying factor in the complex patterns of short- and long-term solar variability indices, by establishing whether such correlations exist in other planetary systems. A variety of complex patterns of barycentric motions of exoplanet host stars is demonstrated, depending on the number, masses and orbits of the planets. Each of the behavioural types proposed to correlate with solar activity are also evident in exoplanet host stars: repetitive patterns influenced by massive multiple planets, epochs of rapid change in orbital angular momentum, and intervals of negative orbital angular momentum. The study provides the basis for independent investigations of the widely-studied but unproven suggestion that the Sun's motion is somehow linked to various indicators of solar activity. We show that, because of the nature of their barycentric motions, the host stars HD168443 and HD74156 offer particularly powerful tests of this hypothesis.

研究动机与目标

• 探究太阳的质心运动（与太阳活动周期相关）是否为普遍现象，通过研究系外行星宿主恒星来实现。
• 确定系外行星系统中是否存在复杂的质心运动模式，例如快速角动量变化和负轨道角动量。
• 识别具有极端质心动力学特性的特定系外行星系统，以供未来对自转-轨道耦合的观测检验。
• 为非太阳系中恒星活动指标与宿主恒星质心运动之间的关联提供框架。
• 利用系外行星系统作为独立测试平台，检验行星引力对恒星运动的影响是否驱动长期恒星变异性。

提出的方法

• 利用40个多重系外行星系统的已发表轨道元素，计算其宿主恒星的质心运动。
• 应用牛顿动力学，解析计算每个宿主恒星的轨道角动量及其变化率。
• 通过建模单个行星引起的反射运动叠加，评估系统的质心运动，假设行星间相互作用可忽略。
• 识别并分类动力学行为，如重复模式、快速角动量变化以及负角动量区间。
• 评估利用现有长期活动指标检测这些运动与恒星活动之间相关性的潜力。
• 由于极端角动量变化和浅层对流包层，将 HD 168443 和 HD 74156 选为高优先级目标。

实验结果

研究问题

• RQ1 系外行星宿主恒星是否表现出与太阳类似的质心运动模式，如快速角动量变化和负轨道角动量？
• RQ2 系外行星宿主恒星的质心运动与长期恒星活动周期之间是否存在可检测的相关性？
• RQ3 HD 168443 和 HD 74156 等系统的极端质心动力学是否可作为太阳自转-轨道耦合理论的独立检验？
• RQ4 具有大质量、远距离行星的系统是否表现出可测量的角动量变化，从而可能影响恒星活动？
• RQ5 质心运动中的周期性（如 HD 168443 中的58天变化）是否具有统计显著性，并可能与恒星磁场周期相关？

主要发现

• 系外行星宿主恒星的质心运动表现出广泛的复杂动力学行为，包括重复模式、快速角动量变化以及负轨道角动量区间。
• HD 168443 在其轨道角动量 z 分量变化率上表现出58天的周期性，其幅度超过太阳的五个多数量级。
• HD 74156 出现持续约3.8年的负轨道角动量区间，随后为2.8年无此类扰动的时期。
• 本研究将 HD 168443 和 HD 74156 确认为测试恒星质心运动与长期活动周期之间假设关联性的最佳候选者。
• 系外行星系统中存在超出太阳观测范围的极端质心运动，为自转-轨道耦合理论提供了稳健且独立的测试平台。
• 结果表明，若质心运动与恒星活动相关，则此类相关性在系外行星系统中应比在太阳系中更易被探测到。