[論文レビュー] ALMA observations of the nearby AGB star L2 Puppis - I. Mass of the central star and detection of a candidate planet

P. Kervella, W. Homan+5 more|Research Explorer (The University of Manchester)|Nov 18, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 61被引用数 37

ひとこと要約

ALMAの高分解能観測（350 GHz）を用いて、本研究ではL2 Puppisの中心にあるAGB星の質量を0.659 ± 0.052 M☉として、そのケプラーランガス円盤のモデル化により測定した。また、2 AUの位置に12 ± 16 M_Jupの候補伴星を検出しており、これは惑星または準星である可能性が高く、太陽がAGB段階に移行した際の惑星系の実時間的類縁体を提供する。

ABSTRACT

Six billion years from now, while evolving on the asymptotic giant branch (AGB), the Sun will metamorphose from a red giant into a beautiful planetary nebula. This spectacular evolution will impact the Solar System planets, but observational confirmations of the predictions of evolution models are still elusive as no planet orbiting an AGB star has yet been discovered. The nearby AGB red giant L2 Puppis (d = 64 pc) is surrounded by an almost edge-on circumstellar dust disk. We report new observations with ALMA at very high angular resolution (18 x 15 mas) in band 7 (f ~ 350 GHz) that allow us to resolve the velocity profile of the molecular disk. We establish that the gas velocity profile is Keplerian within the central cavity of the dust disk, allowing us to derive the mass of the central star L2 Pup A, mA = 0.659 +/- 0.011 +/- 0.041 Msun (+/- 6.6%). From evolutionary models, we determine that L2 Pup A had a near-solar main sequence mass, and is therefore a close analog of the future Sun in 5 to 6 Gyr. The continuum map reveals the presence of a secondary source (B) at a radius of 2 AU contributing fB/ fA = 1.3 +/- 0.1% of the flux of the AGB star. L2 Pup B is also detected in CO emission lines at a radial velocity of vB = 12.2 +/- 1.0 km/s. The close coincidence of the center of rotation of the gaseous disk with the position of the continuum emission from the AGB star allows us to constrain the mass of the companion to mB = 12 +/- 16 MJup. L2 Pup B is most likely a planet or low mass brown dwarf with an orbital period around 5 years. Its continuum brightness and molecular emission suggest that it may be surrounded by an extended molecular atmosphere or an accretion disk. L2 Pup therefore emerges as a promising vantage point on the distant future of our Solar System.

研究の動機と目的

• 高分解能ALMA観測を用いて、L2 Puppisの分子ガス円盤の速度構造をモデル化し、中心AGB星の質量を精確に測定すること。
• L2 Puppisの周囲環境に存在する仮説上の伴星の有無と性質を調査し、その円盤の双極性ネビュラの形成に与える影響を解明すること。
• 動力学的質量と星進化モデルを組み合わせることで、L2 Puppisの進化段階と初期質量を特定すること。
• 2 AUに検出された二次的源が、惑星、準星、または密度の高いダスト・ガスクラスターであるかどうかを、その運動学的および光度的性質に基づいて評価すること。
• 特に太陽型の星がAGB段階を経る際の惑星系の存続に関する理解に、この系が与える示唆を検討すること。

提案手法

• L2 Puppis周囲の分子ガス円盤の速度構造を解像するため、約350 GHzの高空間分解能（18 × 15 mas）のALMAバンド7観測を取得した。
• 観測されたガス速度プロファイルをケプラーラン運動としてモデル化し、式 M = (v²r)/G を用いて中心星の動力学的質量を導出する。
• ヒッパルコスのパララックスと星進化モデルを用いて、L2 Puppisの初期主系列質量と現在の年齢を推定した。
• 連続スペクトルおよびCO発光マップを分析し、約2 AUの位置に二次的源を検出し、中心星に対するその輝度比と径方向速度を測定した。
• システムの動力学的中心が中心星の位置と一致することと、観測された径方向速度シフトを考慮して、伴星の質量を制限した。
• 時間経過に伴う源の持続性、形状、発光特徴を比較することで、代替仮説（例：ダストクラスター）を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 L2 Puppisの周囲ガス円盤のケプラーラン運動から導かれる、中心AGB星L2 Puppisの正確な動力学的質量は何か？
• RQ2 2 AU付近に検出された二次的源は、運動学的および光度的性質に基づいて、惑星質量の伴星、準星、あるいは一時的なダストクラスターであると考えられるか？
• RQ3 導出されたL2 Puppisの質量は、初期主系列質量と比較してどうなっており、その進化歴にどのような示唆を含んでいるか？
• RQ4 伴星の軌道運動および発光特性は、降着円盤または拡張した分子大気によって説明可能か？
• RQ5 この系は、太陽がAGB段階に移行する際の今後の太陽系進化の実時間的類縁体として、どの程度適切か？

主な発見

• 中心星L2 Puppis Aの動力学的質量は0.659 ± 0.011 ± 0.041 M☉と測定され、総誤差は±6.6%であり、主にヒッパルコスパララックス誤差に支配されている。
• 中心星の初期主系列質量は太陽に近く（約1 M☉）、太陽と約5–6 Gyr後の類縁体であることが示された。
• 2 AUの投影距離に二次的源（L2 Puppis B）が検出され、中心星の連続スペクトルフラックスの1.3 ± 0.1%を占めている。
• 伴星はCO発光で検出され、径方向速度は12.2 ± 1.0 km s⁻¹であり、中心星回りの軌道運動と整合的である。
• 伴星の質量は12 ± 16 M_Jupと制限されており、惑星または低質量準星の起源を支持するが、密度の高い物質クラスターの可能性も排除できない。
• 円盤の運動学的中心が中心星と一致し、双極性のコーン構造が存在するなど、系の形状的特徴は、コンactで長寿命な伴星の存在を支持する。