[论文解读] The HADES RV Programme with HARPS-N@TNG VIII. Gl15A: A multiple wide planetary system sculpted by binary interaction

M. Pinamonti, M. Damasso+29 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 63被引用 16

一句话总结

本文报告了在M型矮星Gl15A周围发现一个多重行星系统，其中一颗长周期系外行星（Gl15A c）的轨道受遥远偏心双星（Gl15B）的引力影响而发生动力学塑造。利用径向速度与成像数据，研究发现，由Gl15B驱动的利多夫-科扎伊振荡仅在狭窄的倾角范围（75°–90°）内稳定外侧行星轨道，而其他倾角则导致轨道不稳定，凸显了双星相互作用在塑造行星系统结构中的关键作用。

ABSTRACT

We present 20 years of radial velocity (RV) measurements of the M1 dwarf Gl15A, combining 5 years of intensive RV monitoring with the HARPS-N spectrograph with 15 years of archival HIRES/Keck RV data. We carry out an MCMC-based analysis of the RV time series, inclusive of Gaussian Process (GP) approach to the description of stellar activity induced RV variations. Our analysis confirms the Keplerian nature and refines the orbital solution for the 11.44-day period super Earth, Gl15A\,b, reducing its amplitude to $1.68^{+0.17}_{-0.18}$ m s$^{-1}$ ($M \sin i = 3.03^{+0.46}_{-0.44}$ M$_\oplus$), and successfully models a long-term trend in the combined RV dataset in terms of a Keplerian orbit with a period around 7600 days and an amplitude of $2.5^{+1.3}_{-1.0}$ m s$^{-1}$, corresponding to a super-Neptune mass ($M \sin i = 36^{+25}_{-18}$ M$_\oplus$) planetary companion. We also discuss the present orbital configuration of Gl15A planetary system in terms of the possible outcomes of Lidov-Kozai interactions with the wide-separation companion Gl15B in a suite of detailed numerical simulations. In order to improve the results of the dynamical analysis, we derive a new orbital solution for the binary system, combining our RV measurements with astrometric data from the WDS catalogue. The eccentric Lidov-Kozai analysis shows the strong influence of Gl15B on the Gl15A planetary system, which can produce orbits compatible with the observed configuration for initial inclinations of the planetary system between $75^\circ$ and $90^\circ$, and can also enhance the eccentricity of the outer planet well above the observed value, even resulting in orbital instability, for inclinations around $0^\circ$ and $15^\circ - 30^\circ$. The Gl15A system is the multi-planet system closest to Earth, at $3.57$ pc, and hosts the longest period RV sub-jovian mass planet discovered so far.

研究动机与目标

• 表征Gl15A行星系统的动力学结构，包括其长周期伴星Gl15A c的轨道参数。
• 研究遥远偏心双星Gl15B对行星系统轨道稳定性和演化的影响。
• 确定Gl15A c的观测轨道构型是否与利多夫-科扎伊型相互作用下的长期稳定性一致。
• 评估未来利用盖亚（Gaia）数据探测Gl15A c的天体测量信号的可能性，考虑其预期的天体测量特征。

提出的方法

• 利用HARPS-N@TNG的径向速度测量检测Gl15A c的行星信号，其半振幅Kc在3–σ水平上显著。
• 通过EXORAP计划在APT2望远镜上进行的光度观测用于搜寻凌星信号，但未检测到。
• 通过数值N体模拟，研究了Gl15B双星影响下系统的长期动力学演化。
• 对利多夫-科扎伊机制进行了分析与数值研究，以确定Gl15A c在不同初始倾角与偏心率下的稳定轨道构型。
• 基于Torres（1999）形式化方法进行天体测量预测，估算恒星运动中的曲率效应，预期幅度为20–30 μas yr⁻²。
• 评估未来盖亚数据发布在探测Gl15A c引起的天体测量信号方面的潜力，预计其自行精度可优于10 μas yr⁻¹。

实验结果

研究问题

• RQ1 长周期系外行星伴星Gl15A c的轨道构型为何？在Gl15B双星影响下其稳定性如何？
• RQ2 偏心双星Gl15B在多大程度上引发利多夫-科扎伊振荡，从而稳定或 destabilize Gl15A c的轨道？
• RQ3 是否存在特定倾角范围，使得Gl15A c的稳定轨道因强烈的利多夫-科扎伊相互作用而被禁止？
• RQ4 未来的盖亚天体测量能否探测到Gl15A c引起的轨道曲率？其预期信号强度如何？
• RQ5 行星-行星散射事件如何影响系统的长期演化？它们能否解释当前的轨道参数？

主要发现

• Gl15A c的轨道解仅在75°–90°的狭窄倾角范围内与稳定轨道一致，此时利多夫-科扎伊振荡可维持低偏心率。
• 在15°–30°及接近0°的倾角范围内，无论初始偏心率如何，均因极端利多夫-科扎伊激发而无法形成稳定轨道。
• 该系统中长周期系外行星Gl15A c的半振幅Kc具有3–σ显著性，径向速度与直接成像的强联合证据确认了其存在。
• 对于圆轨道及最小质量情况，Gl15A c在主星上引起的预期天体测量信号为570 μas，曲率效应为20–30 μas yr⁻²，可被盖亚探测到。
• 盖亚预计对Gl15A的自行精度可优于10 μas yr⁻¹，即使在未完成完整轨道覆盖前，也能探测到轨道曲率。
• 该系统为测试受遥远恒星伴星影响的多行星系统中利多夫-科扎伊动力学提供了一个有力的实验平台。