[论文解读] The GAPS Programme with HARPS-N@TNG XIV. Investigating giant planet migration history via improved eccentricity and mass determination for 231 transiting planets

A. S. Bonomo, S. Desidera+35 more|Max Planck Institute for Plasma Physics|Apr 2, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 146被引用 64

一句话总结

对231颗经转的巨行星的径向速度数据进行贝叶斯同质分析（文献数据+782条HARPS-N测量），以细化轨道、行星和恒星参数，重点关注偏心率和迁移历史。

ABSTRACT

We carried out a Bayesian homogeneous determination of the orbital parameters of 231 transiting giant planets (TGPs) that are alone or have distant companions; we employed DE-MCMC methods to analyse radial-velocity (RV) data from the literature and 782 new high-accuracy RVs obtained with the HARPS-N spectrograph for 45 systems over 3 years. Our work yields the largest sample of systems with a transiting giant exoplanet and coherently determined orbital, planetary, and stellar parameters. We found that the orbital parameters of TGPs in non-compact planetary systems are clearly shaped by tides raised by their host stars. Indeed, the most eccentric planets have relatively large orbital separations and/or high mass ratios, as expected from the equilibrium tide theory. This feature would be the outcome of high-eccentricity migration (HEM). The distribution of $α=a/a_R$, where $a$ and $a_R$ are the semi-major axis and the Roche limit, for well-determined circular orbits peaks at 2.5; this also agrees with expectations from the HEM. The few planets of our sample with circular orbits and $α>5$ values may have migrated through disc-planet interactions instead of HEM. By comparing circularisation times with stellar ages, we found that hot Jupiters with $a < 0.05$ au have modified tidal quality factors $10^{5} < Q'_p < 10^{9}$, and that stellar $Q'_s > 10^{6}-10^{7}$ are required to explain the presence of eccentric planets at the same orbital distance. As a by-product of our analysis, we detected a non-zero eccentricity for HAT-P-29; we determined that five planets that were previously regarded to have hints of non-zero eccentricity have circular orbits or undetermined eccentricities; we unveiled curvatures caused by distant companions in the RV time series of HAT-P-2, HAT-P-22, and HAT-P-29; and we revised the planetary parameters of CoRoT-1b.

研究动机与目标

• 为231颗已知经转的巨行星确定一组同质的轨道与物理参数。
• 使用贝叶斯DE-MCMC方法量化并细化轨道偏心率及其不确定性。
• 研究潮汐演化与迁移情景对观测到的偏心率和分离距离的影响。
• 识别由远距离伴星引起的长期RV趋势并更新行星/系统参数。
• 提供对潮汐品质因子 Q'p、Q's 的约束，并评估对行星迁移历史的含义。

提出的方法

• 整理每个系统至少有四个测量的文献RV数据集，并对45个系统再加入782条HARPS-N RV。
• 使用开普勒型模型拟合RV数据，包括长期漂移或曲线趋势的选项，以考虑外部伴星或活动周期。
• 使用微分进化马尔可夫链蒙特卡罗（DE-MCMC）采样轨道参数的后验分布。
• 在过境时间 Tc、周期 P 与次级食分 Te 上纳入先验，以约束 e cos ω 与 e sin ω。
• 采用雅可比感知的参数化以确保偏心率的合适先验，并通过贝叶斯因子进行贝叶斯模型选择，以决定圆轨道还是偏心轨道。
• 将RV结果与文献经转与恒星参数结合，推导行星质量、密度和重力。

实验结果

研究问题

• RQ1 将异质化的RV数据与新的HARPS-N观测结合后，231颗经转巨行星的精确轨道偏心率是多少？
• RQ2 潮汐相互作用与迁移机制（高偏心迁移与盘迁移）如何塑造热/暖木星的观测偏心率与半长轴分布？
• RQ3 在整个样本统一分析下，更新的行星质量、密度和表面重力是多少？
• RQ4 RV时间序列是否显示长期趋势或曲率，指示远距离伴星，这如何影响推导的轨道解？
• RQ5 关于潮汐品质因子（Q'p、Q's）和恒星年龄可以给出哪些约束，以解释圆合时间尺度及偏心行星的存在？

主要发现

• 非紧凑TGPs的偏心率与潮汐塑造其轨道的情况一致，暗示从高偏心路径迁移。
• 对于确定良好的圆轨道，α = a / aR 的分布在约2.5处峰值，与高偏心迁移情景相符。
• 当 a < 0.05 au 时，热木星需要行星修正潮汐品质因子 10^5 ≲ Q′p ≲ 10^9 和恒星 Q′s ≳ 10^6–10^7，才能解释观测到的偏心率。
• 在 HAT-P-29 检测到非零偏心率 e = 0.104−0.018+0.021；曾被认为偏心的若干行星现在为圆轨道或偏心率尚未确定（CoRoT-2b、CoRoT-23b、TrES-3b、HAT-P-23b、WASP-54b）。
• RV数据的曲率和长期趋势表明在如 HAT-P-2、HAT-P-22、HAT-P-29 等系统中存在远距离伴星；HAT-P-17c 的轨道显著改善；CoRoT-1b 的膨胀程度比先前报道的更大。