[论文解读] The GAPS Programme with HARPS-N at TNG. XIII. The orbital obliquity of three close-in massive planets hosted by dwarf K-type stars: WASP-43, HAT-P-20 and Qatar-2

M. Esposito, E. Covino+46 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 100被引用 16

一句话总结

本研究利用位于意大利特望望远镜（TNG）上的HARPS-N光谱仪获得的高精度径向速度测量数据，测量了三颗围绕冷却K型矮星运行的巨型热木星行星——WASP-43b、HAT-P-20b和Qatar-2b的轨道倾角。研究发现，WASP-43b与恒星自转轴对齐（λ = 3.5° ± 6.8°）；HAT-P-20b具有微小但显著的倾角（Ψ = 36°⁻¹²⁺¹⁰）；Qatar-2b的测量结果与对齐状态勉强一致，且存在恒星活动增强的迹象，可能源于恒星-行星相互作用。

ABSTRACT

In the framework of the GAPS project, we are conducting an observational programme aimed at the determination of the orbital obliquity of known transiting exoplanets. The targets are selected to probe the obliquity against a wide range of stellar and planetary physical parameters. We exploit high-precision radial velocity (RV) measurements, delivered by the HARPS-N spectrograph at the 3.6m Telescopio Nazionale Galileo, to measure the Rossiter-McLaughlin (RM) effect in RV time-series bracketing planet transits, and to refine the orbital parameters determinations with out-of-transit RV data. We also analyse new transit light curves obtained with several 1-2m class telescopes to better constrain the physical fundamental parameters of the planets and parent stars. We report here on new transit spectroscopic observations for three very massive close-in giant planets: WASP43b, HATP20b and Qatar2b orbiting dwarf K-type stars with effective temperature well below 5000K. We find lambda = 3.5pm6.8 deg for WASP43b and lambda = -8.0pm6.9 deg for HATP20b, while for Qatar2, our faintest target, the RM effect is only marginally detected, though our best-fit value lambda = 15pm20 deg is in agreement with a previous determination. In combination with stellar rotational periods derived photometrically, we estimate the true spin-orbit angle, finding that WASP43b is aligned while the orbit of HATP20b presents a small but significant obliquity (Psi=36 _{-12}^{+10} deg). By analyzing the CaII H&K chromospheric emission lines for HATP20 and WASP43, we find evidence for an enhanced level of stellar activity which is possibly induced by star-planet interactions.

研究动机与目标

• 确定三颗围绕冷却K型恒星运行的巨型热木星行星的轨道倾角。
• 探究潮汐相互作用或伴星是否影响这些系统的自转-轨道对齐。
• 通过色球层活动指标（如R′HK指数）评估恒星-行星相互作用的作用。
• 利用凌日光曲线和径向速度数据进一步优化行星与恒星的物理参数。

提出的方法

• 利用TNG望远镜上的HARPS-N光谱仪获取的高精度径向速度测量数据，在行星凌日过程中探测Rossiter-McLaughlin效应。
• 利用凌日外的径向速度数据优化轨道参数，并改进系统的星历表。
• 分析口径1–2米望远镜获取的凌日光曲线，以约束行星与恒星的物理参数。
• 通过光变曲线推导恒星自转周期，从而从投影倾角λ估算真实的自转-轨道角Ψ。
• 通过CaII H&K发射线评估色球层活动，以探测潜在的恒星-行星相互作用效应。
• 建模轨道倾角与偏心率的潮汐衰减 timescales，评估轨道圆化与对齐随时间发生的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 WASP-43b、HAT-P-20b和Qatar-2b的真实自转-轨道角是多少？其轨道是否与恒星自转轴对齐？
• RQ2 HAT-P-20b系统中存在遥远的伴星，是否会影响其轨道构型，特别是其微小倾角与非零偏心率？
• RQ3 WASP-43与HAT-P-20是否存在因潮汐或磁性恒星-行星相互作用而导致的恒星活动增强现象？
• RQ4 轨道倾角与偏心率的潮汐耗散timescales与系统的估计年龄相比如何？
• RQ5 在较冷的K型恒星周围，若存在巨型热木星，其对齐趋势是否与较热恒星系统相似？

主要发现

• WASP-43b的真实自转-轨道角与零一致（Ψ = 0°），表明其系统高度对齐。
• HAT-P-20b表现出微小但显著的倾角（Ψ = 36°⁻¹²⁺¹⁰），表明其轨道并非共面。
• Qatar-2b对Rossiter-McLaughlin效应的探测结果仅具边际意义，但最佳拟合值λ = 15° ± 20°与对齐状态一致。
• WASP-43与HAT-P-20的色球层活动（R′HK）均高于其自转周期所预期的水平，提示可能存在恒星-行星相互作用。
• 倾角的潮汐衰减timescales短于系统的估计年龄，表明潮汐作用可能已在长时间尺度内实现轨道重对齐。
• HAT-P-20b的偏心率（e = 0.0172 ± 0.0016）可能为原始形成时的残余，因其潮汐衰减timescale（约4 Gyr）超过系统年龄；而WASP-43的偏心率在1000万年以内即被耗散。