[论文解读] The GAPS Programme with HARPS-N@TNG IX. The multi-planet system KELT-6: detection of the planet KELT-6 c and measurement of the Rossiter-McLaughlin effect for KELT-6 b

M. Damasso, M. Esposito+40 more|Keele Research Repository (Keele University)|Aug 26, 2015

Astro and Planetary Science参考文献 39被引用 13

一句话总结

本研究通过HARPS-N和TRES的径向速度监测，证实了KELT-6系统中存在第二颗行星KELT-6 c，并首次测量了KELT-6 b的罗西特-麦克劳克林效应，揭示其轨道为前向运动且略微倾斜，投影自转轨道角为−36° ± 11°。该系统包含一颗热土星和一颗具有3.5年周期与中等偏心率的庞大外侧行星，为通过长期相互作用研究行星系统结构与动力学演化提供了典型案例。

ABSTRACT

Aims. For more than 1.5 years we monitored spectroscopically the star KELT-6 (BD+312447), known to host the transiting hot Saturn KELT-6b, because a previously observed long-term trend in radial velocity time series suggested the existence of an outer companion. Methods. We collected a total of 93 new spectra with the HARPS-N and TRES spectrographs. A spectroscopic transit of KELT-6b was observed with HARPS-N, and simultaneous photometry was obtained with the IAC-80 telescope. Results. We proved the existence of an outer planet with a mininum mass M$_{ m p}$sini=3.71$\pm$0.21 M$_{ m Jup}$ and a moderately eccentric orbit ($e=0.21_{-0.036}^{+0.039}$) of period P$\sim$3.5 years. We improved the orbital solution of KELT-6b and obtained the first measurement of the Rossiter-McLaughlin effect, showing that the planet has a likely circular, prograde, and slightly misaligned orbit, with a projected spin-orbit angle $λ$=$-$36$\pm$11 degrees. We improved the KELT-6b transit ephemeris from photometry, and we provided new measurements of the stellar parameters. KELT-6 appears as an interesting case to study the formation and evolution of multi-planet systems.

研究动机与目标

• 调查已知拥有凌星行星KELT-6 b的KELT-6恒星中是否存在长期径向速度漂移。
• 探测并表征可能引起观测到的RV漂移的外侧行星。
• 通过罗西特-麦克劳克林效应测量KELT-6 b的轨道取向，以确定其相对于恒星自转轴的方位。
• 利用光谱与光度数据的联合分析，改进KELT-6 b的轨道与恒星参数。
• 使用长期摄动行星迁移模型评估KELT-6系统的动力学稳定性和演化历史。

提出的方法

• 在1178天内，使用TNG望远镜上的HARPS-N光谱仪和Tillinghast望远镜上的TRES光谱仪，收集了93组高精度径向速度光谱。
• 在KELT-6 b凌星期间，使用IAC-80望远镜同步进行光度监测，以支持凌星时刻与深度分析。
• 采用自助法（bootstrapping）方法，从径向速度与光度数据中推导轨道与恒星参数的不确定性。
• 使用考虑行星凌星期间多普勒频移调制的模型拟合罗西特-麦克劳克林效应，从而测量投影自转轨道角。
• 测试共面高偏心率迁移（CHEM）模型，以评估系统结构的动力学起源。
• 使用Petrovich（2015b）针对具有任意偏心率与轨道倾角的双行星系统提出的经验关系，评估长期动力学稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 KELT-6的长期径向速度漂移是否表明存在一颗质量巨大的外侧行星？
• RQ2 通过罗西特-麦克劳克林效应测得的KELT-6 b轨道取向相对于其主星自转轴如何？
• RQ3 KELT-6 b与KELT-6 c的当前轨道构型能否由与外侧行星的长期摄动引力相互作用解释？
• RQ4 KELT-6系统在十亿年时间尺度上的动力学稳定性时间尺度是多少？
• RQ5 系统通过行星-行星散射与潮汐圆化过程演化至当前状态所需的初始条件是什么？

主要发现

• 确认存在第二颗行星KELT-6 c，其最小质量为3.71 ± 0.21 $M_{\rm Jup}$，轨道周期约为3.5年。
• KELT-6 c的轨道中等偏心，$e = 0.21_{-0.036}^{+0.039}$，与共面高偏心率迁移模型的预测一致。
• 对KELT-6 b的罗西特-麦克劳克林效应测量得到投影自转轨道角为$\lambda = -36^\circ \pm 11^\circ$，表明其为前向运动且略微倾斜的轨道。
• 对KELT-6 b的改进轨道解显示其为圆形轨道，且利用新光度数据进一步优化了凌星星历。
• 系统在数百万年内保持动力学稳定，Petrovich（2015b）的经验稳定性准则得到充分满足。
• 在修正的潮汐品质因子$Q'^\prime_{\rm p} = 10^5$条件下，估算KELT-6 b的圆化时间尺度约为~0.45 Gyr，表明其轨道可能在初始高偏心率迁移后被圆化。