TESS 扩展任务新扇区对热木星 WASP-12b 类轨道周期衰减的自建凌星计时管线独立检验

1 · 研究问题

用自建的 lightkurve + batman + emcee 凌星计时管线，从 TESS 扩展任务（Extended Mission）2023–2026 年新扇区光变曲线中重建 WASP-12b 等热木星的中凌时刻（mid-transit time），拟合出的轨道周期衰减率 dP/dt 与已发表值（32.53 ± 1.62 ms/yr）是否在 95% 置信区间内一致？对照组（无衰减报道的热木星）的 dP/dt 是否与零一致，从而证明管线无系统偏置？

2 · 研究背景与空白

热木星（hot Jupiter）因潮汐耗散会向宿主恒星缓慢旋进，轨道周期衰减（orbital decay）表现为中凌时刻相对线性星历（ephemeris）的二次偏离。测量它只需要长期、均匀的凌星计时——这是公开测光数据能直接支撑的少数"正在发生的天体演化"测量之一。

已有工作：Patra et al. (2017) 与 Yee et al. (2020) 确立 WASP-12b 为轨道衰减最强证据；Turner et al. (2021, AJ) 用 TESS 主任务数据确认衰减率 32.53 ± 1.62 ms/yr；Leonardi et al. (2024, A&A, TASTE V) 用地面数据延长基线；2025 年 arXiv:2510.06589 结合新凌星时刻重新分析轨道动力学。方法（凌星模型拟合 + 星历模型比较）完全公开。

空白在时间覆盖：TESS 扩展任务持续产生新扇区，任何"截止到 2026–2027 年最新数据"的联合计时分析都是天然的新样本独立检验；且加入一组"应为零信号"的对照热木星做管线零点检验的做法在学生可及层面并不常见。方法门槛低、数据全公开、衰减"看到/没看到"都构成有效结论，非常适合一年期课题。

3 · 可检验假设

• H1：2023–2026 新扇区中 WASP-12b 的中凌时刻相对常周期线性星历的偏离 > 3σ，且二次星历拟合给出的 dP/dt 与 Turner et al. (2021) 的 32.53 ± 1.62 ms/yr 在 95% 置信区间内一致。
• H2（管线零点假设）：5–10 颗文献未报道衰减的对照热木星，用同一管线拟合的 dP/dt 与 0 在 2σ 内一致；若不一致，说明管线存在系统偏置，H1 的结论无效。

4 · 量化验收标准

1. 方法学校验（硬门槛）：用自建管线对 10 颗已确认凌星行星重跑单凌星拟合，Rp/R、a/R、凌星中点与 NASA Exoplanet Archive 公布值偏差 ≤ 5%（中凌时刻偏差 ≤ 1 分钟）。此步不过关，后续全部结论无效。
2. 每个中凌时刻附 MCMC 后验分布与收敛诊断（链长 ≥ 50 倍积分自相关时间，或 Gelman–Rubin R̂ < 1.01）。
3. 星历模型比较预先写死：线性 vs 二次模型用 Δχ² 与 BIC 双口径报告；dP/dt 置信区间用自助抽样（bootstrap）给出，不单独依赖单次最小二乘协方差。
4. 对照样本 ≥ 5 颗零结果检验全部报告（不得只报 WASP-12b）。
5. 全部脚本、凌星时刻表与后处理开源，第三方可一键重跑。

5 · 数据与工具

用途	来源 / 工具
TESS 光变曲线	MAST 归档，SPOC 2 分钟 PDCSAP 光变；用 lightkurve 按目标、按扇区检索下载（单目标单扇区约数十 MB，全项目 < 5 GB）。覆盖 2018 至今全天分区，每扇区约 27 天
凌星物理模型	batman（内置 Mandel–Agol 凌星模型与多种临边昏暗律；TTV 星历拟合脚本需自行实现）
后验采样	emcee（内置仿射不变采样器；收敛诊断需自行调用 autocorr 模块）
历史凌星时刻	文献汇编表（Yee 2020 / Turner 2021 / Leonardi 2024 附表）——仅作联合拟合的历史锚点与对照，不计入本项目的数据贡献
行星参数先验	NASA Exoplanet Archive——仅作校验与先验，不计入贡献

算力：batman 单次模型评估毫秒级；单凌星 MCMC（32 walkers × 2×10⁴ 步）数分钟；全项目约数百次拟合，纯 CPU 笔记本一至两天内完成。降规模版本：只做 WASP-12b + 3 颗对照；H1 主结论完整保留，仅损失对照组统计力。

6 · 方法路径

1. 装环境，跑通 lightkurve/batman/emcee 官方示例，完成第 4 块硬门槛校验。
2. 核实 WASP-12 天区 2023–2026 年是否有新 TESS 扇区（Web TESS Viewing Tool），并确定对照热木星名单（明确、可复现的入选判据：V < 13、周期 < 3 天、扇区数 ≥ 3）。
3. 实现逐凌星切窗、去趋势与单凌星 MCMC 拟合，输出中凌时刻及不确定度。
4. 与文献历史时刻联合，做线性/二次星历模型比较，bootstrap 给 dP/dt 置信区间。
5. 对照组重复同一流程，做零点检验。
6. 交叉校验：用与主管线独立的梯形模型 + 最小二乘重估中凌时刻，比较两法差异。

7 · 新颖性边界

• 本课题不声称发现轨道衰减——WASP-12b 衰减已由 Patra/Yee/Turner 等发表；也不提出新计时方法。
• 已有工作：Turner et al. (2021) 已用 TESS 主任务扇区确认衰减；Leonardi et al. (2024) 与 2025 年重分析已延长地面基线。
• 本项目贡献（主结论）：自建管线 + 截至 2026/27 年最新 TESS 扇区的扩展基线独立检验 + 对照组零点检验。若 dP/dt 一致，普适性获得一次独立支持；若偏移，给出偏移量与可能的采样/系统因素分析——两种结果都有效。
• 与历届获奖作的关系：2021 年铜奖"TESS TOI 假阳性自动识别管线"做的是分类问题，与本题（精密计时）无重叠。
• 价值：轨道衰减率数值随基线增长而收紧，任何新的独立时刻表对该领域都有实际增量。

8 · 决策门槛（go / no-go）

• 第 6 周末：硬门槛校验须通过（10 颗行星、偏差 ≤ 5%）。不过关 → 第 8 周前只保留官方 SPOC 参数复核，课题降级为"多行星 TESS 星历维护与 TTV 搜索"（同一拟合框架，目标从 dP/dt 改为线性星历更新），主结论框架（计时 + 模型比较）不变。
• 第 10 周：核实清楚 WASP-12 天区新扇区可用性（不要边做边发现）。若 2023 年后无新扇区 → 降级路径 A：用全部既有扇区做联合重分析 + 对照组零点检验（仍是独立检验）；降级路径 B：主目标换为 Kepler-1658b 等其他衰减候选（判据：已有 ≥ 2 个 TESS 扇区）。
• 第 30 周：冻结样本与统计口径，进入写作与复跑验证；预算裁剪顺序：对照组数量 → 交叉校验方法数 → 主目标不可裁。
• 适合学生：会 Python、愿意学 MCMC 的任何队伍；本题是十题中失败模式最少的一条。

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