[论文解读] The mass of planet GJ676A b from ground-based astrometry: A planetary system with two mature gas giants suitable for direct imaging

J. Sahlmann, P. F. Lazorenko+11 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 75被引用 13

一句话总结

本研究利用甚大望远镜/FORS2仪器的地面天体测量数据，确定了系外行星GJ 676A b的真实质量为6.7⁺¹.⁸₋₁.₅ M_J，比径向速度法测得的最小质量高出40%。该工作证实了该系统中存在两颗气态巨行星（b和c），并指出它们是未来任务如WFIRST进行直接成像的理想目标，因其投影分离度较大且系统年龄较老。

ABSTRACT

GJ676A is an M0 dwarf hosting both gas-giant and super-Earth-type planets discovered with radial-velocity measurements. Using FORS2/VLT, we obtained position measurements of the star in the plane of the sky that tightly constrain its astrometric reflex motion caused by the super-Jupiter planet `b` in a 1052-day orbit. This allows us to determine the mass of this planet to $M_\mathrm{b} = 6.7^{+1.8}_{-1.5}\,M_\mathrm{J}$, which is $\sim$40 \% higher than the minimum mass inferred from the radial-velocity orbit. Using new HARPS radial-velocity measurements, we improve upon the orbital parameters of the inner low-mass planets `d` and `e` and we determine the orbital period of the outer giant planet `c` to $P_\mathrm{c}=7340$ days under the assumption of a circular orbit. The preliminary minimum mass of planet `c` is $M_\mathrm{c} \sin i = 6.8\,M_\mathrm{J}$ with an upper limit of $\sim$$39\,M_\mathrm{J}$ that we set using NACO/VLT high-contrast imaging. We also determine precise parallaxes and relative proper motions for both GJ676A and its wide M3 companion GJ676B. Despite the probably mature age of the system, the masses and projected separations ($\sim$0.1" -- 0.4") of planets `b` and `c` make them promising targets for direct imaging with future instruments in space and on extremely large telescopes. In particular, we estimate that GJ676A b and GJ676A c are promising targets for directly detecting their reflected light with the WFIRST space mission. Our study demonstrates the synergy of radial-velocity and astrometric surveys that is necessary to identify the best targets for such a mission.

研究动机与目标

• 利用高精度地面天体测量技术确定系外行星GJ 676A b的真实质量。
• 利用新的HARPS径向速度数据改进内侧行星d和e的轨道参数。
• 在假设轨道为圆形的前提下，约束外侧行星c的轨道周期和最小质量。
• 利用高对比度NACO/VLT成像为行星c设定质量上限。
• 评估该系统在未来空间和地面望远镜对反射光与热辐射进行直接成像的适用性。

提出的方法

• 在2010–2012年间，利用甚大望远镜上的FORS2仪器对GJ 676A进行高精度天体测量，单次测量精度接近0.1 mas。
• 将天体测量数据与HARPS的径向速度测量数据结合，以优化轨道解并确定轨道倾角。
• 利用测得的天体测量反向运动，通过轨道几何关系推导出行星b的真实质量，从而校正径向速度方法固有的倾角歧义性。
• 应用NACO/VLT的高对比度成像技术，为行星c设定约39 M_J的质量上限，该结果与其中小质量6.8 M_J sin i一致。
• 精确测定GJ 676A及其宽距M3型伴星GJ 676B的视差和相对自行。
• 通过估算投影分离度和系统年龄，基于WFIRST对反射光探测的信噪比，评估该系统进行直接成像的潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 系外行星GJ 676A b的真实质量是多少？其与径向速度法测得的最小质量相比有何差异？
• RQ2 外侧行星c的轨道周期和最小质量是多少？对其倾角和质量可施加哪些约束？
• RQ3 能否利用NACO/VLT的高对比度成像为行星c设定质量上限？
• RQ4 天体测量与径向速度数据如何共同提升该行星系统的轨道历表精度？
• RQ5 GJ 676A系统的外侧行星是否适合未来任务如WFIRST进行反射光的直接成像？

主要发现

• 行星GJ 676A b的真实质量被确定为6.7⁺¹.⁸₋₁.₅ M_J，比径向速度法测得的最小质量4.9 M_J高出40%。
• 在假设轨道为圆形的条件下，行星c的轨道周期被约束为7340天，其最小质量为6.8 M_J sin i。
• 通过NACO/VLT高对比度成像，为行星c设定了约39 M_J的质量上限，表明其不太可能是棕矮星。
• 该系统的外侧行星b和c的投影分离度约为0.1–0.4角秒，使其成为未来仪器直接成像的有希望目标。
• 该系统的成熟年龄（约1 Gyr）和较大的投影分离度表明，GJ 676A b和c是WFIRST空间任务直接探测反射光的可行目标。
• 证明了径向速度与天体测量巡天的协同作用对于识别高对比度成像任务的理想目标至关重要。