[论文解读] Transiting exoplanets from the CoRoT space mission. XVIII. CoRoT-18b: a massive hot jupiter on a prograde, nearly aligned orbit

G. Hébrard, T. M. Evans+45 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 56被引用 27

一句话总结

本文报告了通过CoRoT光度观测和地面系径向速度及光谱后续观测，发现了一颗质量为3.47 ± 0.38 MJup的巨行星CoRoT-18b，其围绕一颗G9V型恒星运行，轨道周期为1.90天。该行星具有顺行、近乎对齐的轨道，倾角ψ = 20° ± 20°，其宿主恒星的年龄尚不明确，可能暗示年轻恒星演化模型存在矛盾。

ABSTRACT

We report the detection of CoRoT-18b, a massive hot jupiter transiting in front of its host star with a period of 1.9000693 +/- 0.0000028 days. This planet was discovered thanks to photometric data secured with the CoRoT satellite combined with spectroscopic and photometric ground-based follow-up observations. The planet has a mass M_p = 3.47 +/- 0.38 M_Jup, a radius R_p = 1.31 +/- 0.18 R_Jup, and a density rho_p = 2.2 +/- 0.8 g/cm3. It orbits a G9V star with a mass M_* = 0.95 +/- 0.15 M_Sun, a radius R_* = 1.00 +/- 0.13 R_Sun, and a rotation period P_rot = 5.4 +/- 0.4 days. The age of the system remains uncertain, with stellar evolution models pointing either to a few tens Ma or several Ga, while gyrochronology and lithium abundance point towards ages of a few hundred Ma. This mismatch potentially points to a problem in our understanding of the evolution of young stars, with possibly significant implications for stellar physics and the interpretation of inferred sizes of exoplanets around young stars. We detected the Rossiter-McLaughlin anomaly in the CoRoT-18 system thanks to the spectroscopic observation of a transit. We measured the obliquity psi = 20 +/- 20 degrees (sky-projected value: lambda = -10 +/- 20 degrees), indicating that the planet orbits in the same way as the star is rotating and that this prograde orbit is nearly aligned with the stellar equator.

研究动机与目标

• 从CoRoT空间任务光度数据中识别并表征一颗凌星系外行星。
• 利用多波段后续观测，确定该行星及其宿主恒星的轨道和物理参数。
• 测量Rossiter-McLaughlin效应，并推断该系统的自转轨道倾角。
• 通过多种独立方法（恒星模型、gyrochronology、锂同位素丰度）解决宿主恒星的年龄矛盾。
• 探讨该行星的质量、轨道和对齐特性对行星系统形成与演化的影响。

提出的方法

• CoRoT卫星以32秒的时间采样率，在25天内获取了高精度、连续的光度观测，检测到13次凌星事件。
• 利用欧洲南方天文台（ESO）、上普罗旺斯天文台和北欧光学望远镜的地面光学光度和光谱观测，确认了行星凌星现象并测量了径向速度变化。
• 通过高分辨率光谱观测在凌星期间测量Rossiter-McLaughlin效应，以确定天球投影自转轨道倾角λ。
• 利用谱谱能量分布拟合、径向速度建模以及SME等工具进行光谱分析，推导出恒星参数。
• 联合CoRoT和地面望远镜的光曲线，使用Mandel & Agol（2002）的凌星模型拟合轨道参数。
• 通过演化模型、gyrochronology和锂同位素丰度评估恒星年龄，发现存在不一致之处。

实验结果

研究问题

• RQ1 CoRoT-18b的精确质量、半径和轨道参数是什么？
• RQ2 CoRoT-18系统的自转轨道倾角是多少？它与行星系统对齐有何关系？
• RQ3 为何不同方法推断出的宿主恒星年龄存在差异？
• RQ4 该行星的高质质量与短周期轨道与其他已知热木星相比如何？
• RQ5 该系统的对齐特性对大质量行星的形成与迁移历史有何启示？

主要发现

• CoRoT-18b的质量为3.47 ± 0.38 MJup，半径为1.31 ± 0.18 RJup，轨道周期为1.9000693 ± 0.0000028天。
• 该行星的密度为2.2 ± 0.8 g/cm³，表明其可能具有高金属丰度或受恒星辐射加热的组成。
• 宿主恒星的质量为0.95 ± 0.15 M⊙，半径为1.00 ± 0.13 R⊙，自转周期为5.4 ± 0.4天。
• Rossiter-McLaughlin测量得到天球投影倾角为λ = −10° ± 20°，表明其为顺行且近乎对齐的轨道（ψ = 20° ± 20°）。
• 恒星年龄估计存在矛盾：演化模型显示可能为数千万年或数十亿年，而锂同位素丰度和自转速率则指向约3亿年。
• CoRoT-18b和CoRoT-2b是目前已知唯一围绕快速自转的G型或更冷恒星运行的系外行星，凸显了这一罕见系统构型。