[论文解读] The HARPS-N Rocky Planet Search I. HD219134b: A transiting rocky planet in a multi-planet system at 6.5 pc from the Sun

F. Motalebi, S. Udry+37 more|University of Birmingham Research Portal (University of Birmingham)|Jul 30, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 84被引用 81

一句话总结

该论文报告了HD 219134 b的发现，这是目前已知距离最近的凌星类地系外行星（6.5 pc），也是HARPS-N类地行星搜索计划的首个成果。通过径向速度测量和斯皮策空间望远镜的光度观测，研究确认了一个多行星系统，其中内侧行星为质量为4.46 M⊕的超级-Earth，轨道周期为3.09天，平均密度为5.89 g cm⁻³，核心质量分数约为22%，表明其为类地行星的岩石组成。

ABSTRACT

We present here the detection of a system of four low-mass planets around the bright (V=5.5) and close-by (6.5 pc) star HD219134. This is the first result of the Rocky Planet Search program with HARPS-N on the TNG in La Palma. The inner planet orbits the star in 3.0937 +/-0.0004 days, on a quasi-circular orbit with a semi-major axis of 0.0382 +/- 0.0003 AU. Spitzer observations allowed us to detect the transit of the planet in front of the star making HD219134b the nearest known transiting planet to date. From the amplitude of the radial-velocity variation (2.33 +/- 0.24 m/s) and observed depth of the transit (359 +/- 38 ppm), the planet mass and radius are estimated to be 4.46 +/- 0.47 M_{\oplus} and 1.606 +/- 0.086 R_{\oplus} leading to a mean density of 5.89 +/- 1.17 g/cc, suggesting a rocky composition. One additional planet with minimum mass of 2.67 +/- 0.59 M_{\oplus} moves on a close-in, quasi-circular orbit with a period of 6.765 +/- 0.005 days. The third planet in the system has a period of 46.78 +/- 0.16 days and a minimum mass of 8.7 +/- 1.1 M{\oplus}, at 0.234 +/- 0.002 AU from the star. Its eccentricity is 0.32 +/- 0.14. The period of this planet is close to the rotational period of the star estimated from variations of activity indicators (42.3 +/- 0.1 days). The planetary origin of the signal is, however, the preferred solution as no indication of variation at the corresponding frequency is observed for activity-sensitive parameters. Finally, a fourth additional longer-period planet of mass of 62 +/- 6 M_{\oplus} orbits the star in 1190 days, on an eccentric orbit (e=0.27 +/- 0.11) at a distance of 2.14 +/- 0.27 AU.

研究动机与目标

• 使用HARPS-N光谱仪对附近明亮恒星进行高精度径向速度测量，以探测并表征低质量系外行星。
• 利用斯皮策空间望远镜的光度观测，搜索该系统中最内侧行星的凌星现象。
• 确定最内侧行星的物理特性，包括质量、半径和密度，以评估其组成。
• 研究HD 219134多行星系统的动力学结构，包括轨道参数和潜在共振。
• 由于其距离近且亮度高，将HD 219134确立为未来大气与内部结构研究的优先目标。

提出的方法

• 使用位于拉帕尔马的国家伽利略望远镜上的HARPS-N光谱仪获取高精度径向速度测量数据。
• 斯皮策空间望远镜执行近红外光度观测，以搜索最内侧行星HD 219134 b的凌星信号。
• 利用开普勒轨道拟合对径向速度数据进行建模，以确定轨道元素和最小质量。
• 利用斯皮策数据中的凌星深度和持续时间，假设为圆形轨道，推导出行星半径。
• 将行星质量与半径结合，计算平均密度，并通过与内部结构模型对比，推断其组成。
• 监测活动指标，以排除恒星活动作为径向速度信号的来源，从而确认其为行星起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 HD 219134 b是否为凌星行星？其半径和轨道周期为何？
• RQ2 HD 219134 b的质量和密度如何？其组成是岩石型还是富含挥发物？
• RQ3 HD 219134多行星系统的动力学结构如何？包括轨道偏心率和周期？
• RQ4 46.78天的信号是否由恒星活动引起，还是具有行星起源？
• RQ5 该系统因距离近且亮度高，如何使其成为未来大气与内部结构研究的理想目标？

主要发现

• HD 219134 b是目前已知距离最近的凌星系外行星，距离为6.5 pc，V星等为5.5，使其成为迄今发现的最亮凌星行星系统。
• 该行星质量为4.46 ± 0.47 M⊕，半径为1.606 ± 0.086 R⊕，平均密度为5.89 ± 1.17 g cm⁻³，与岩石组成一致。
• 该行星的核心质量分数估计约为22%，表明其组成与地球相似，但铁含量略低于地球的30%。
• 该系统还包含三颗额外行星：质量为2.67 M⊕、轨道周期为6.765天的行星；质量为8.7 M⊕、轨道周期为46.78天、偏心率为0.32的行星；以及质量为62 M⊕、轨道周期为1190天、偏心率为0.27的行星。
• 46.78天的信号并非源于恒星活动，因为在该频率上未检测到活动指标的调制，支持其行星起源。
• 该系统因距离近且亮度高，使其成为未来利用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）、TESS及其他未来任务开展大气与内部结构研究的理想目标。