Discovery of a Jupiter Analog Misaligned to the Inner Planetary System in HD 73344

Abstract

Abstract We present the discovery of a Jupiter-like planet, HD 73344 d ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mi>m</mml:mi> <mml:mi>d</mml:mi> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>2.5</mml:mn> <mml:msubsup> <mml:mn>5</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>0.46</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>0.56</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mspace width="1em"/> <mml:msub> <mml:mi>M</mml:mi> <mml:mi>J</mml:mi> </mml:msub> </mml:math> , <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>a</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>d</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>6.7</mml:mn> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>0.26</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>0.25</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> au, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>e</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>d</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>0.1</mml:mn> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>8</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>0.12</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>0.14</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> ) based on 27 yr radial velocity (RV) observations from ELODIE, Lick/Hamilton, SOPHIE, APF, and HIRES. HD 73344 also hosts a compact inner planetary system, including a transiting sub-Neptune, HD 73344 b ( P b = 15.61 days, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mi>r</mml:mi> <mml:mi>b</mml:mi> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>2.8</mml:mn> <mml:msubsup> <mml:mn>8</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>0.07</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>0.08</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mspace width="1em"/> <mml:msub> <mml:mi>R</mml:mi> <mml:mo>⊕</mml:mo> </mml:msub> </mml:math> ), and a nontransiting Saturn-mass planet ( P c = 65.936 days, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mi>m</mml:mi> <mml:mi>c</mml:mi> </mml:msub> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:mi>sin</mml:mi> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:msub> <mml:mi>i</mml:mi> <mml:mi>c</mml:mi> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>0.36</mml:mn> <mml:msubsup> <mml:mn>7</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>0.021</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>0.022</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mspace width="1em"/> <mml:msub> <mml:mi>M</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">J</mml:mi> </mml:msub> </mml:math> ). By analyzing TESS light curves, we identified a stellar rotation period of 9.03 ± 1.3 days. Combining this with <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mi>v</mml:mi> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:mi>sin</mml:mi> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:msub> <mml:mi>i</mml:mi> <mml:mo>*</mml:mo> </mml:msub> </mml:math> measurements from stellar spectra, we derived a stellar inclination of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mn>6</mml:mn> <mml:mn>3</mml:mn> <mml:mo>.</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:msup> <mml:mn>6</mml:mn> <mml:mo>∘</mml:mo> </mml:msup> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>16.5</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>17.4</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> . Furthermore, by combining RVs and Hipparcos–Gaia astrometric acceleration, we characterized the three-dimensional orbit of the outer giant planet and constrained its mutual inclination relative to the innermost transiting planet to be 46° &lt; Δ I bd &lt; 134° (1 σ ) and 20° &lt; Δ I bd &lt; 160° (2 σ ), strongly disfavoring coplanar architectures. Our analytical calculations and N -body simulations reveal that the two inner planets are strongly coupled with each other and undergo nodal precession together around the orbital axis of the giant planet. During nodal precession, the orbital inclinations of inner planets oscillate with time and therefore become misaligned relative to the stellar spin axis. The formation of such systems suggests a history of planet–planet scattering or misalignment between the inner and outer components of protoplanetar

Topics & Concepts