[论文解读] Two Bright M Dwarfs Hosting Ultra-Short-Period Super-Earths with Earth-like Compositions

Teruyuki Hirano, John H. Livingston+59 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 145被引用 31

一句话总结

本研究利用TESS的光度观测和地面系外行星径向速度（RV）测量，确认了两颗围绕明亮M型矮星运行的超短周期（USP）超级地球TOI-1634b和TOI-1685b。这两颗行星具有类地成分，质量分别为10.14 ± 0.95 M⊕和3.43 ± 0.93 M⊕，半径分别为1.749 ± 0.079 R⊕和1.459 ± 0.065 R⊕，轨道周期分别为0.9893436 ± 0.0000020天和0.6691416 ± 0.0000019天，位于半径谷附近，是研究岩石行星形成与大气演化的重要目标。

ABSTRACT

We present observations of two bright M dwarfs (TOI-1634 and TOI-1685: $J=9.5-9.6$) hosting ultra-short period (USP) planets, identified by the TESS mission. The two stars are similar in temperature, mass, and radius ($T_\mathrm{eff}\,\approx\,3500$ K, $M_\star\,\approx\,0.45-0.46\,M_\odot$, and $R_\star\approx 0.45-0.46\,R_\odot$), and the planets are both super-Earth-sized ($1.25\,R_\oplus<R_p<2.0\,R_\oplus$). For both systems, light curves from the ground-based photometry exhibit planetary transits, whose depths are consistent with those by the TESS photometry. We also refine the transit ephemerides based on the ground-based photometry, finding the orbital periods of $P=0.9893436\pm0.0000020$ day and $P=0.6691416\pm0.0000019$ day for TOI-1634b and TOI-1685b, respectively. Through intensive radial velocity (RV) observations using IRD on the Subaru 8.2m telescope, we confirm the planetary nature of the TOIs, and measure their masses: $10.14\pm0.95\,M_\oplus$ and $3.43\pm0.93\,M_\oplus$ for TOI-1634b and TOI-1685b, respectively, when the observed RVs are fitted with a single-planet circular-orbit model. Combining those with the planet radii of $R_p=1.749\pm 0.079\,R_\oplus$ (TOI-1634b) and $1.459\pm0.065\,R_\oplus$ (TOI-1685b), we find that both USP planets have mean densities consistent with an Earth-like internal composition, which is typical for small USP planets. TOI-1634b is currently the most massive USP planet in this category, and it resides near the radius valley, which makes it a benchmark planet in the context of discussing the size limit of rocky planet cores as well as testing the formation scenarios for USP planets. Excess scatter in the RV residuals for TOI-1685 suggests the presence of a possible secondary planet or unknown activity/instrumental noise in the RV data, but further observations are required to check those possibilities.

研究动机与目标

• 确认TESS在明亮M型矮星周围探测到的两颗超短周期（USP）行星候选体的行星性质。
• 测量行星的质量和半径以评估其内部成分。
• 利用地面光度观测和径向速度数据，精炼轨道周期表。
• 通过RV残差分析评估是否存在额外行星或恒星活动的可能。
• 将这些系统确定为未来大气表征的高优先级目标，尤其是使用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）。

提出的方法

• 利用TESS空间望远镜的光度观测，在两颗明亮M型矮星（TOI-1634和TOI-1685）的光 light curves 中探测凌星现象。
• 开展地面光度观测以验证并精炼凌星深度和周期表，确认与TESS数据的一致性。
• 使用昴山望远镜上的IRD光谱仪进行高强度径向速度（RV）测量，以确认行星信号并测定质量。
• 采用单行星圆轨道模型拟合RV数据，以推导行星质量与半径，从而实现密度与成分分析。
• 利用周期图分析和贝叶斯信息准则（BIC）分析RV残差，评估存在额外行星或恒星活动的可能性。
• 结合质量与半径测量结果，计算平均密度，并与理论类地成分模型进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 围绕明亮M型矮星的两颗USP行星候选体是否具有与岩石类地行星一致的质量，且其成分符合类地结构？
• RQ2 TOI-1634b和TOI-1685b的精确轨道周期与凌星周期表，是否已通过地面光度观测得到精炼？
• RQ3 这些系统的径向速度残差中是否存在额外行星或恒星活动的证据？
• RQ4 这些行星的质量与半径与岩石行星内部结构的理论模型相比如何？
• RQ5 这些系统是否适合作为未来使用发射光谱法进行大气表征的候选目标？

主要发现

• TOI-1634b的质量为10.14 ± 0.95 M⊕，半径为1.749 ± 0.079 R⊕，平均密度与类地成分一致。
• TOI-1685b的质量为3.43 ± 0.93 M⊕，半径为1.459 ± 0.065 R⊕，其内部结构同样与类地成分一致。
• 轨道周期被精炼为：TOI-1634b为0.9893436 ± 0.0000020天，TOI-1685b为0.6691416 ± 0.0000019天。
• 两颗行星均位于理论半径谷附近，且是目前已知质量最大、具有类地成分的USP行星之一。
• TOI-1685的RV残差中存在过量抖动，提示可能存在额外行星或恒星活动，但需进一步观测确认。
• 这些系统是目前已知最明亮的USP超级地球宿主恒星系统，因此是未来使用JWST及其他大口径望远镜进行大气研究的首选目标。