凌食系外行星的观测及其TTV的分析研究

Since the first exoplanet was discovered in 1992, 1781 exoplanets have been detected in 1100 planetary systems , among which 462 ones are multiple planetary systems.The observation and study on the exoplanets and the multiple planetary systems open the new windows for us to understand how these planetary systems form and evolve. These research results can be compared to that of our solar system, and applied to address fundamental questions about our own solar system. In fact, 90% of exoplanets are 'hot Jupiters', running along kinds of orbits. The diversification of the alien planetary systems is quite different from our own solar system. In order to understand such differences, more exoplanet samples, especially super-earth and earth-like exoplanets are needed. However, the limited detection abilities of present radial velocity instruments and ground-based photometric instruments, prevent us to detect terrestrial exoplanets in habitable zone by RV and transit methods in the ground. For a planetary system with multiple planets, the gravitational interactions between planets may cause some changes on planetary orbits. Especially, when two planets are in low order mean-motion resonance, the orbital changes are significant and can be measured even using ground-based instruments. Our program will focus on mintoring the Transit Timing Variations (TTVs) of known exoplanets to detect new exoplants, maybe super-earth or earth-size ones, in the planetary systems. This program includes: (1)the long-term photometric observation for selected transiting exoplanets using Chinese middle and small size optical telescopes; (2)MCMC analysis to get the planetary parameters; (3)analysis for the mid-time of all transit events. From the periodic variation in TTV data, the orbital elements and mass of an unseen planet will be inferred.

至今，人们已发现了1781颗系外行星，其中有462个多行星系统。系外行星系统，特别是多行星系统的探测和研究是人们认识行星系统形成和演化的新窗口，为理解太阳系的形成和演化提供了可借鉴和比较的样本。从已探测到的系外行星数据来看，90%的系外行星是'热木星'，且运行在各种轨道上，这与太阳系的情形有着较大的差异。为了理解这种差异，需要更多的系外行星样本，尤其是类地的宜居行星。然而，以当今的地面视向速度测定技术及CCD测光精度，很难探测到地球大小的宜居系外行星。当多行星系统中行星处于平均运动的低阶共振时，行星间的引力作用会引起其轨道的明显变化。对于一个凌食的系外行星来讲，其明显的轨道周期变化会体现为凌食中间时刻的变化。本项目就是利用国内中、小型光学望远镜，对选定的凌食行星进行长时序的凌食事件的测光观测，精化系统的物理参数，分析凌食中间时刻变化（TTV），推断系统内是否有其它类地行星存在。

从已探测到的系外行星数据来看，大部分的系外行星是'热木星'，且运行在各种轨道上，这与太阳系的情形有着较大的差异。为了理解这种差异，需要更多的系外行星样本，尤其是低质量的行星。然而，以当今地面视向速度测定技术及CCD测光精度，很难探测到类地系外行星。当多行星系统中各行星处于平均运动的低阶共振时，行星间的引力作用会引起其轨道的明显变化。对于一个凌食的系外行星来讲，其明显的轨道周期变化会体现为凌食中间时刻的变化。本项目利用国内外中、小型光学望远镜，对选定的十多个凌食行星系统进行长时序的凌食事件的测光观测，同时还从Kepler数据库中精选了几个凌食系统，分析它们凌食中间时刻的变化（TTV）。基于地基的时序观测，我们发现HAT-P-20 系统的TTV 信号是由行星掩食主星黑子事件引起的，因此，该系统并不存在其它的未探测到的额外行星；对于WASP32 系统，得到了该系统更为精确的物理参数，确认了行星运动的轨道为圆形，在我们研究的时间窗口没有发现可能的TTV 信号。通过细致的光变曲线分析、凌食事件模拟和TTV 反演，我们发现Kepler-411是一个4 行星系统。借助自主开发的STMT 技术扣除宿主恒星的黑子活动造成的干扰后，利用先进的TTV 反演技术，我们在该系统中发现了一颗非凌食的低质量系外行星，轨道周期为31.5 天，质量为10.8 倍的地球质量。同时，我们还肯定了系统中的第三个凌食信号是由一个15.2 倍地球质量的系外行星造成的。这些研究结果表明，TTV 技术的确可以用来发现低质量的系外行星，不过，要想得到可靠的TTV 反演结果，必须得考虑宿主恒星的黑子活动。