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arXiv:1901.07250
Leleu et al. (2019)
Co-orbital exoplanets from close period candidates: The TOI-178 case
(周期が近い候補天体中の共軌道系外惑星:TOI-178 の場合)

概要

太陽系内には共軌道天体が存在し,また惑星系形成モデルでは共軌道惑星の形成が予測されているにもかかわらず,これまでに共軌道系外惑星 (トロヤ惑星とも呼称) は発見されていない.

ここでは,共軌道系外惑星のシグナルの調査を行った.2 つの惑星候補天体が恒星を同じ様な軌道で周回している場合のトランジットサーベイ結果を元に調査した.このような惑星候補の組は,ヒル安定ではないため偽陽性として取り除かれている.しかし軌道の類似性は,馬蹄形軌道や長い秤動周期を持つオタマジャクシ軌道の共軌道配置でも説明することができる.この縮退は,お互いの惑星のトランジットタイミング変化 (Transit timing variation, TTV) を考慮することで解くことができる.

ここでは 3 つの惑星候補を持っている系 TOI-178 に着目する.この恒星の 2 つの外側の惑星候補は類似した軌道周期を持っており,軌道位相がほぼ π/3 だけ離れている.これは TESS の Sector 2 の観測で発見されたものである.公表された軌道に基づくと,この系が長期的に安定であるためには 2 つの近い軌道周期を持つ惑星は共軌道である必要がある.

ここでの独立したトレンド除去とトランジットの探索から,TESS のパイプラインで発見された 3:2:2 に近い軌道共鳴鎖の配置を確認し,この配置が観測結果を説明する解としてわずかに好ましいことを見出した.しかし 4:3:2 の軌道共鳴配置である可能性も排除できない.

さらに,これが共軌道惑星であるというシナリオに基づいて詳細な調査を行った.その結果,内側の惑星が 2:3 の平均運動共鳴のすぐ外側にいることの影響があるにもかかわらず,共軌道配置の場合は様々な惑星質量において数十億年のタイムスケールで軌道が安定であることが判明した.これは共軌道がトロヤ軌道でも馬蹄形軌道のどちらでも同じ結果となった.

この配置の場合,数百日の周期で大きな TTV が発生することが予測される.また TTV の測定からどのように惑星質量を復元するかについても示す.

軌道を共有する惑星

系外惑星の中では,1 次や 2 次の平均運動共鳴に入っている惑星の組,あるいはそれに近い状態にあるものが多数発見されている.しかし 0 次の平均運動共鳴,つまりトロヤ群もしくは共軌道配置にあるものはこれまでに発見されていない.このような天体は太陽系ではたくさん見られ,その例が木星や海王星のトロヤ群小惑星や,いくつかの土星の衛星である.

共軌道天体の大部分では,片方に比べてもう一方の質量は無視できるほど小さいが,土星の共軌道衛星であるヤヌスとエピメテウスの場合,両者の質量比はわずか 3.6 である.トロヤ系外惑星も,両者の合計質量が中心星の 27 分の 1 より小さければ恒星の寿命と同程度の期間安定であることが示されている (Gascheau 1843).このことは,太陽系で最も重い惑星である木星と土星のペアであっても,同じ軌道長半径で経度が 60° 違う位置で安定して秤動できることを示唆している.

トロヤ惑星は,惑星系形成の副産物として形成しうると考えられている (Laughlin & Chambers 2002).しかし,原始惑星系円盤の中でのその様な配置の進化が複雑であるため,共軌道系外惑星に期待される特徴 (たとえば秤動の振幅) などへはほとんど制約が与えられていない.

共軌道系外惑星の検出は,その他の軌道配置との間に縮退があるため難しい.また,同じ軌道上にある両惑星のトランジットを検出するためには,2 つが同一平面に近い軌道をとっている必要がある.

ケプラー132 とケプラー271,ケプラー730 の複数惑星系では,近い軌道周期を持つ惑星の存在が初めて報告されたが,その後のより詳細な解析では共軌道惑星である可能性は否定され,ケプラー132 の場合はそれぞれの惑星が連星の異なる恒星を公転していたことが判明している,またケプラー271 と ケプラー730 は,2:1 平均運動共鳴にあるとするシナリオが好ましい (Lissauer et al. 2011,2014)

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