[论文解读] Transiting exoplanets from the CoRoT space mission XXI. CoRoT-19b: A low density planet orbiting an old inactive F9V-star

E. W. Guenther, R. F. Díaz+52 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 29被引用 12

一句话总结

本文报告了CoRoT-19b的发现，这是一颗低密度气态系外行星，质量为1.11 ± 0.06 MJup，半径为1.29 ± 0.03 RJup，围绕一颗年龄较大、活动性低的F9V型恒星运行，轨道周期为3.897天。利用高精度CoRoT光度观测数据以及来自多个光谱仪（SOPHIE、HARPS、FIES、SANDIFORD）的径向速度测量，该研究确认了该行星的膨胀半径——比木星大30%——尽管其质量相近，为理解热木星类行星的半径膨胀机制提供了关键数据。

ABSTRACT

Observations of transiting extrasolar planets are of key importance to our understanding of planets because their mass, radius, and mass density can be determined. The CoRoT space mission allows us to achieve a very high photometric accuracy. By combining CoRoT data with high-precision radial velocity measurements, we derive precise planetary radii and masses. We report the discovery of CoRoT-19b, a gas-giant planet transiting an old, inactive F9V-type star with a period of four days. After excluding alternative physical configurations mimicking a planetary transit signal, we determine the radius and mass of the planet by combining CoRoT photometry with high-resolution spectroscopy obtained with the echelle spectrographs SOPHIE, HARPS, FIES, and SANDIFORD. To improve the precision of its ephemeris and the epoch, we observed additional transits with the TRAPPIST and Euler telescopes. Using HARPS spectra obtained during the transit, we then determine the projected angle between the spin of the star and the orbit of the planet. We find that the host star of CoRoT-19b is an inactive F9V-type star close to the end of its main-sequence life. The host star has a mass M*=1.21+/-0.05 Msun and radius R*=1.65+/-0.04 Rsun. The planet has a mass of Mp=1.11+/-0.06 Mjup and radius of Rp=1.29+/-0.03 Rjup. The resulting bulk density is only rho=0.71+/-0.06 gcm-3, which is much lower than that for Jupiter. The exoplanet CoRoT-19b is an example of a giant planet of almost the same mass as Jupiter but a 30% larger radius.

研究动机与目标

• 理解近距离气态巨行星半径膨胀的物理成因，特别是那些质量与木星相近但半径显著更大的行星。
• 解决对轨道恒星年龄、质量与温度各异的凌星系外行星缺乏精确质量与半径测量的问题，以约束行星演化模型。
• 通过排除光变 aperture 内背景双星食变等假阳性情景，确认CoRoT-19b的行星本质。
• 利用Rossiter-McLaughlin效应测量天空投影的自转-轨道倾角（λ），评估轨道对齐性及其对行星系统结构的影响。
• 对一颗具有低密度行星的凌星系外行星系统进行高精度表征，以改进大气与内部结构模型的理解。

提出的方法

• 分析2010年3月5日至29日期间CoRoT空间任务的光度数据（32秒采样率，三色数据），检测并建模CoRoT-19场中的凌星事件。
• 采用独立的马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）与遗传算法优化技术，利用Mandel & Agol（2002）的边缘暗化凌星模型拟合凌星光曲线。
• 将CoRoT光度数据与来自四台光谱仪（SOPHIE、HARPS、FIES、SANDIFORD）的高分辨率径向速度数据结合，以确定该行星的质量与轨道参数。
• 利用TRAPPIST与Euler望远镜进行后续凌星观测，以优化星历与凌星时刻解算。
• 利用HARPS在凌星期间获取的光谱，检测Rossiter-McLaughlin效应并测量天空投影的自转-轨道倾角（λ）。
• 应用恒星演化模型（Girardi et al. 2000）与贝叶斯估计（da Silva et al. 2006），结合光谱与光度约束，推导出宿主恒星的质量、半径、年龄与金属丰度。

实验结果

研究问题

• RQ1 CoRoT-19b的精确质量与半径是多少？其整体密度如何？
• RQ2 观测到的凌星信号是否由行星伴星引起，还是假阳性现象（如光变孔径内的背景双星食变）？
• RQ3 恒星自转轴与行星轨道轴之间的天空投影夹角是多少？这对系统的动力学历史有何含义？
• RQ4 CoRoT-19b的半径与木星相比如何？这对行星半径膨胀机制有何启示？
• RQ5 宿主恒星的物理参数是什么？它们如何为行星的演化背景提供信息？

主要发现

• CoRoT-19b的质量为1.11 ± 0.06 MJup，半径为1.29 ± 0.03 RJup，整体密度为0.71 ± 0.06 g cm⁻³，显著低于木星的1.33 g cm⁻³。
• 宿主恒星为一颗年龄较大、活动性低的F9V型恒星，质量为1.21 ± 0.05 M⊙，半径为1.65 ± 0.04 R⊙，估计年龄为5 ± 1 Gyr。
• 未检测到凌星时刻变化，残差在预测时间的3分钟以内，表明轨道稳定且无显著摄动。
• Rossiter-McLaughlin效应以2.3σ的显著性水平被边缘检测到，测得天空投影自转-轨道倾角λ = −52⁺²⁷₋₂²度，提示可能存在轨道倾角错位。
• CoRoT-19b被确认为一颗低密度、膨胀的气态巨行星，其半径比木星大约30%，尽管质量几乎相同。
• 该行星的平衡温度为2000 ± 150 K，与其位于0.0518 AU的近距离轨道所受强烈辐射一致。