Universität zu Köln

Carone, Ludmila (2012). Tidal interactions of short-period extrasolar transit planets with their host stars: Constraining the elusive stellar tidal dissipation factor. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The orbital and stellar rotation evolution of CoRoT planetary systems due to tides raised by the planet on the star (stellar tidal friction) and by tides raised by the star on the planet (planetary tidal friction, for e>0) is investigated. The evolution time scale depends on the stellar tidal dissipation factor over stellar Love number Q∗/k2* which is not very well constrained. Tidal energy dissipation models yield Q∗/k2∗ = 10E5 − 10E9. Many CoRoT planets may migrate towards their star because the stellar rotation rate Ω∗ is smaller than the planetary mean revolution rate n. To guarantee long-term stability of the CoRoT-planets, Q∗/k2∗≥ 10E7−10E8 is derived as a common stability limit. As the planet migrates towards the star, the stellar rotation is spun-up efficiently. For most CoRoT stars no sign of tidal spin up is found, therefore Q∗/k2∗ > 10E6 is derived by requiring tidal friction to be weaker than magnetic braking. CoRoT-17 apparently is experiencing moderate tidal spin-up which requires 4 × 10E7 ≤ Q∗/k2∗ < 10E9. For planets with e ≥ 0.5, like CoRoT-10b and CoRoT-20b, planetary and stellar tidal friction may act on similar timescales. This may lead to a positive feedback effect, decreasing the semi major axis/increasing the stellar rotation rapidly. To avoid this, Q∗/k2∗ > 10E6 is required. The CoRoT-3 and CoRoT-15 system may be tidal equilibrium states, where Ω∗ = n. To achieve this state and to maintain it in the presence of magnetic braking Q∗/k2∗≤ 10E7 − 10E8 is required. Even then, the double synchronous orbit may decay because magnetic braking removes angular momentum from the system. Therefore, only F stars are capable to maintain a double synchronous state with a massive companion, because these stars are not strongly affected by magnetic braking. The Q∗/k2∗ values required for double synchronous rotation are comparatively low although Q∗/k2∗ is expected to grow as Ω∗ → n. This discrepancy is explained by the on-set of dynamical tides as stellar eigenfrequencies are exited, leading to a more efficient tidal energy dissipation and reducing Q∗/k2∗. The other CoRoT-systems are assumed not to excite dynamical tides.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die Entwicklung des Orbits und der Sternrotation von CoRoT Planetensystemen aufgrund von stellarer Gezeitenreibung und planetarer Gezeitenreibung wird untersucht. Die Entwicklungszeiträume hängen vom stellaren Gezeitendissipationsfactorüber stellare Love-Zahl Q∗/k2∗ ab, deren Grösse nicht genau bekannt ist. Aus Gezeitenenergie-Dissipations-Modelle ergeben sich: Q∗/k2∗ = 10E5 − 10E9. Viele CoRoT-Planeten könnten zum Stern wandern, da Ω∗< n. Um das Überleben der CoRoT-Planeten zu garantieren, ergibt sich Q∗/k2∗≥ 10E7 − 10E8 als Stabilitätslimit. Wenn der Planet zum Stern wandert, wird die Sternrotation stark beschleunigt. Die meisten CoRoT-Sterne zeigen kein Zeichen einer Gezeitenbeschleunigung, daher ergibt sich Q∗/k2∗ > 10E6, wenn angenommen wird, dass Gezeitenreibung schwächer ist als ’magnetic braking’. Die Rotation von CoRoT-17 scheint moderat durch Gezeitenreibung beschleunigt zu werden, woraus sich 4 × 10E7 ≤ Q∗/k2∗ < 10E9 ergibt. Planeten mit e ≥ 0.5, wie CoRoT-10b und CoRoT-20b, sind gleichzeitig planetarer und stellarer Gezeitenreibung unterworfen. Das führt zu einer positiven Rückkopplung, wobei sich die große Halbachse stark verringert bzw. die Sternrotation stark beschleunigt. Um dies zu verhindern, ist Q∗/k2∗ > 10E6 erforderlich. Das CoRoT-3 and CoRoT-15-System könnte in einem Gleichgewichtszustand sein, so dass Ω∗ = n. Um diesen Zustand trotz ’magnetic braking’ aufrechtzuerhalten, ist Q∗/k2∗≤ 10E7 − 10E8 erforderlich. Selbst dann könnte der doppelt-synchrone Orbit aufgrund von ’magnetic braking’ zerfallen. Daher können nur F-Sterne einen doppeltsynchronen Zustand mit einem schweren Begleiter aufrechterhalten, weil diese Sterne reduziertem ’magnetic braking’ unterworfen sind. Die Q∗/k2∗-Werte für den doppelt-synchronen Zustand sind verhältnismässig klein, obwohl erwartet wird, dass Q∗/k2∗ wächst, wenn Ω∗ → n. Das kann durch dynamische Gezeiten erklärt werden, wenn stellare Eigenfrequenzen angeregt werden. Das führt zu einer effizienten Gezeitenenergie-Dissipation und einem kleineren Q∗/k2∗. Es wird angenommen, dass die anderen CoRoT-Systeme keine dynamischen Gezeiten anregen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Carone, Ludmila ludmila.carone@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-47574
Date:	28 June 2012
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute for Geophysics and Meteorology
Subjects:	Physics Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Tidal interaction; extrasolar planets; tidal dissipation factor; stellar rotation; planetary systems English Gezeitenwechselwirkung; extrasolare Planeten; Gezeitendissipationsfaktor; stellare Rotation; Planetensysteme German
Date of oral exam:	22 May 2012
Referee:	Name Academic Title Pätzold, Martin PD Dr. Labadie, Lucas Prof. Dr. Rauer, Heike Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4757