[論文レビュー] Atmospheric Compositions of Three Brown Dwarfs and Implications for their Formation Conditions

Nikku Madhusudhan, Dániel Apai+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、3体のミッドT型褐色矮星の高S/Nのハッブル宇宙望遠鏡近赤外スペクトルを分析し、大気中の化学組成を導出し、太陽未満の金属量と0.4〜1.0のC/O比を明らかにした。これらの組成は、孤立した重力的収縮ではなく、円盤への降着とその後の撃出を経て形成されたことを示唆し、褐色矮星が初期銀河の化学的不均一性を調査する手がかりとなる可能性がある。

ABSTRACT

The formation mechanisms and chemical compositions of brown dwarfs likely span a diverse range. If they are formed predominantly in isolation by gravitational collapse like dwarf stars then their compositions might follow those of dwarf stars, spanning a relatively narrow range in metallicities (~ -0.4 to +0.4 dex) and predominantly oxygen-rich (C/O 0.5~dex), which is thought to be a consequence of formation by core-accretion in a circumstellar disk. In this study we determine the atmospheric chemical compositions of three brown dwarfs and find them to be neither characteristic of dwarf stars nor giant planets. We derive high-precision atmospheric chemical abundances using high-S/N HST near-infrared spectra of three mid T Dwarfs which, together with two previously studied objects, display distinctly sub-solar metallicities and span C/O ratios of 0.4-1.0. These abundance patterns indicate either an old sub-stellar population and a multitude of formation environments or objects formed in circumstellar disks followed by ejection later. We show that for a simple synthetic model population of brown dwarfs with the same spectral-type as our sample the predicted age distribution is predominantly older than the Sun and, hence, more metal poor, consistent with our derived abundances. The diverse C/O ratios we find are indicative of either different chemical reservoirs in their formation environments or different formation pathways. Our results open the possibility that cool brown dwarfs may provide important probes of early galactic chemical evolution and inhomogeneity.

研究の動機と目的

• 高分解能のハッブル宇宙望遠鏡データを用いて、3体のミッドT型褐色矮星の大気中の化学組成を特定すること。
• 星や巨大惑星と比較した化学組成の分析を通じて、褐色矮星の形成メカニズムを調査すること。
• 観測された組成が、孤立した重力的収縮か、円盤に基づく形成とその後の撃出のどちらに一致するかを評価すること。
• 導出された組成が銀河の化学的進化および褐色矮星の年齢分布に与える影響を評価すること。
• 合成された人口モデルが、観測された組成パターンと年齢分布を再現できるかどうかを検証すること。

提案手法

• ハッブル宇宙望遠鏡のWFC3機器を用いて、3体のミッドT型矮星の高S/N近赤外分光法による観測。
• スペクトルデータから化学組成、温度プロファイル、雲のカバレッジを導出するための大気還元解析。
• 観測スペクトルを解釈し、大気の性質を推定するために放射移動および化学平衡モデルの適用。
• 亜恒星初期質量関数と変化する形成レートを用いた簡易な合成人口モデルを用いて、年齢と重力分布をシミュレート。
• モデルの予測を観測された組成パターンと比較し、形成仮説との整合性を評価。
• 2体の既に研究済みの褐色矮星のデータを組み合わせ、比較分析用に合計5体のT型矮星のサンプルを構築。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミッドT型褐色矮星の大気組成は、星のように孤立した重力的収縮によって予想されるものと一致するか？
• RQ2 観測された太陽未満の金属量と変動するC/O比は、巨大惑星で見られるように、原始惑星円盤内でのコア降着によって形成されたものと整合するか？
• RQ3 ミッドT型褐色矮星の年齢分布は、その形成歴および金属量の進化にどのような示唆をもたらすか？
• RQ4 合成人口モデルは、T型矮星の観測された組成パターンと年齢分布を再現できるか？
• RQ5 褐色矮星は、初期銀河の化学的進化および不均一な化学的豊度のプロセスをどれほど効果的に探査できるか？

主な発見

• 3体のミッドT型褐色矮星は、炭素、酸素、窒素の金属量が太陽未満であり、[C/H]および[O/H]値が太陽未満であった。
• 3対象のC/O比は0.4〜1.0の範囲にあり、サンプル内の顕著な化学的多様性を示している。
• 導出された組成は、孤立した重力的収縮による形成とは整合せず、太陽または超太陽の金属量と低いC/O比を予測するものである。
• ミッドT型矮星のシミュレートされた人口の年齢分布は、太陽より古い対象が支配的であり、観測された太陽未満の金属量と整合的である。
• 観測された組成パターンは、原始惑星円盤内での形成とその後の動的撃出によって最もよく説明され、自由浮遊型巨大惑星に類似している。
• 結果から、冷却された褐色矮星は、初期銀河の化学的進化および不均一な化学的豊度プロセスを調査する貴重なプローブである可能性があると示唆される。