A new perspective on Kepler-68: a scaled-down solar system analog

Abstract (English version) Kepler-68 is a G1V old main sequence star known to host two transiting planets and a non-transiting one. With a magnitude in the Kepler band of 10.00 it is a suitable target for RVs follow ups and spectroscopic analysis. It is also part of the Gaia Early Data Release 3 (EDR3) that contains very precise coordinates and parallax. It is a low-activity star, both from the photometric and spectroscopic point of view. The two transiting planets are named Kepler-68 b and Kepler-68 c. They have a short-period orbit around the host star of about 5.4 days and 9.6 days respectively and they are likely to be rocky Earths or super-Earths (~2.3 REarth and ~1 REarth respectively). The non-transiting planet, named Kepler-68 d, has a period of about 630 days and, even if the radius is not known, it is likely to be a Jupiter analog, as its minimum mass is around 0.77 MJupiter. In this work, we aim to study again and more deeply this system both from the photometric and spectroscopic point of view. The full Kepler light curve study with updated algorithms together with a new and thorough analysis of the stellar physical parameters led to a significant improvement in the planetary parameters determination. Thanks to new radial velocity data collected by the HARPS-N instrument at Telescopio Nazionale Galileo for this project, it was possible to increase the precision on the physical parameters also from the RV point of view. Together with the already existing public data from HIRES@Keck, we built an RV dataset with a temporal baseline longer than 11 years. Taking advantage of the new data, it was possible to infer the presence of a fourth brand new planet that turned out to have a period of about 1550 days and a minimum mass of ~0.133 MJupiter. The name of Kepler-68 e has been given to this new planet. In addition we used the new TESS data to study, for the first time, possible transit time variations (TTVs) using ephemerides built on Kepler data. Based on our analysis, no long term TTVs are found. We conclude with the determination of the density of planets b and c and their location on the Radius-Mass diagram, with Kepler-68 b being one of the planets with the most precise density measurement among the mini-Neptunes. Moreover, a brief discussion on the possible migration paths of the planets is addressed. All considered, this study constitutes the deepest and most updated study of the Kepler68 planetary system, that is still far from being fully characterized and represents an amenable target for future photometric and spectroscopic measurements. Abstract (versione italiana) Kepler-68 è una vecchia stella di sequenza principale di classe spettrale G1V conosciuta per ospitare due pianeti transitanti e uno non transitante. Avendo una magnitudine di 10,00 nella banda fotometrica di Kepler, la stella è un obiettivo abbordabile per ulteriori osservazioni con le velocità radiali e per analisi spettroscopiche. Essa fa anche parte della Gaia Early Data Release 3 (EDR3), la quale contiene misure molto precise delle sue coordinate e della sua parallasse. È una stella che mostra bassa attività, sia dal punto di vista fotometrico sia spettroscopico. I due pianeti transitanti sono chiamati Kepler-68 b e Kepler-68 c. Hanno un'orbita a corto periodo attorno alla stella ospitante di circa 5,4 giorni e 9,6 giorni rispettivamente ed è probabile che essi siano pianeti analoghi alla Terra o superTerre (~2,3 RTerra e ~1 RTerra rispettivamente). Il pianeta non transitante, chiamato Kepler-68 d, ha un periodo di circa 630 giorni e, anche se il raggio non è noto, è probabile che si tratti di un pianeta di tipo Gioviano dato che la sua massa minima si aggira intorno a 0,77 MGiove. In questo lavoro, il nostro obiettivo è di studiare ancora e più accuratamente questo sistema sia dal punto di vista fotometrico che spettroscopico. Lo studio dell'intera curva di luce di Kepler, usando i più moderni algoritmi, insieme ad una nuova e più accurata analisi dei parametri fisici della stella, ha portato ad un significativo miglioramento dei parametri planetari. Grazie alle nuove velocità radiali collezionate dallo strumento HARPS-N presso il Telescopio Nazionale Galileo specificatamente per questo progetto, è stato possibile incrementare la precisione anche dei parametri fisici derivati da esse. Insieme ai dati pubblici preesistenti di HIRES@Keck, siamo stati in grado di costruire un dataset con una lunghezza temporale di più di 11 anni. Grazie all'utilizzo dei nuovi dati è stato possibile inferire la presenza di un quarto nuovo pianeta che si è rivelato avere un periodo di circa 1550 giorni e una massa minima di circa ~0,133 MGiove. A questo nuovo pianeta è stato dato il nome di Kepler-68 e. Oltre a ciò abbiamo usato i dati provenienti da TESS per studiare, per la prima volta, possibili variazioni del tempo di transito usando le effemeridi costruite sui dati di Kepler. In base alla nostra analisi, non sono state trovate variazioni dei tempi di transito sul lungo termine. Concludiamo con la determinazione della densità dei pianeti b e c e la loro posizione sul diagramma Raggio-Massa, sottolineando che Kepler-68 b è uno dei pianeti con la densità misurata più precisamente tra i mini-Nettuno. Inoltre, riportiamo una breve discussione sui possibili percorsi di migrazione seguiti dai pianeti. Alla luce di quanto esposto, questo lavoro costituisce il più profondo e aggiornato studio del sistema planetario Kepler-68, che è ancora ben lontano dall'essere completamente caratterizzato e rappresenta un obiettivo interessante per future osservazioni sia fotometriche che spettroscopiche.