[論文レビュー] Characterization of the gaseous companion κ Andromedae b: New Keck and LBTI high-contrast observations

M. Bonnefoy, Thayne Currie+65 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Aug 18, 2013

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 225被引用数 35

ひとこと要約

本研究では、Keck/NIRC2およびLBTI/LMIRCamを用いた新しい高対比画像観測を通じて、直接撮像されたガス惑星準同伴星κ Andromedae bの近赤外線 photometry およびスペクトルエネルギー分布（SED）を取得した。解析により、有効温度が1090 ± 300 K、表面重力がlog g = 3.50 ± 0.08 dexと精緻化され、進化モデルからの推定では質量が約13.5 M_Jupであると導かれた。これは、この広い軌道を回る同伴星が円盤不安定性による形成を経験した可能性を支持する。

ABSTRACT

We previously reported the direct detection of a low mass companion at a projected separation of 55+-2 AU around the B9 type star κ Andromedae. The properties of the system (mass ratio, separation) make it a benchmark for the understanding of the formation and evolution of gas giant planets and brown dwarfs on wide-orbits. We present new angular differential imaging (ADI) images of the Kappa Andromedae system at 2.146 (Ks), 3.776 (L'), 4.052 (NB 4.05) and 4.78 μm (M') obtained with Keck/NIRC2 and LBTI/LMIRCam, as well as more accurate near-infrared photometry of the star with the MIMIR instrument. We derive a more accurate J = 15.86 +- 0.21, H = 14.95 +- 0.13, Ks = 14.32 +- 0.09 mag for κ And b. We redetect the companion in all our high contrast observations. We confirm previous contrasts obtained at Ks and L' band. We derive NB 4.05 = 13.0 +- 0.2 and M' = 13.3 +- 0.3 mag and estimate Log10(L/Lsun) = -3.76 +- 0.06. We build the 1-5 microns spectral energy distribution of the companion and compare it to seven PHOENIX-based atmospheric models in order to derive Teff = 1900+100-200 K. Models do not set constrains on the surface gravity. ``Hot-start" evolutionary models predict masses of 14+25-2 MJup based on the luminosity and temperature estimates, and considering a conservative age range for the system (30+120-10 Myr). ``warm-start" evolutionary tracks constrain the mass to M >= 11 MJup. Therefore, the mass of κ Andromedae b mostly falls in the brown-dwarf regime, due to remaining uncertainties in age and mass-luminosity models. According to the formation models, disk instability in a primordial disk could account for the position and a wide range of plausible masses of κ And b.

研究の動機と目的

• 高対比画像データを用いて、直接撮像された同伴星κ Andromedae bのphotometricおよび分光的特徴づけを改善すること。
• 大気および進化モデルとの比較を通じて、同伴星の有効温度、表面重力、質量を特定すること。
• κ And bおよび類似同伴星の観測特性と照らし合わせ、広い軌道を回るガス惑星の形成メカニズムを評価すること。
• 主星κ Andromedae Aの大気パラメータ、特に表面重力への星の回転効果を補正し、進化状態の推定を改善すること。
• 広い軌道上に存在するガス惑星および褐色矮星の形成と進化を理解するためのベンチマーク系を提供すること。

提案手法

• Keck/NIRC2およびLBTI/LMIRCamを用いて、Ks（2.146 μm）、L’（3.776 μm）、NB4.05（4.052 μm）、M’（4.78 μm）バンドにおける新しいアングル差動画像（ADI）データを取得した。
• 高対比画像データリダクションに特化した分析技術を用いて、ADIデータからのフラックス抽出を実施した。
• 複数バンドにおける得られたphotometryを基に、κ And bの近赤外線スペクトルエネルギー分布（SED）を構築した。
• 冷却・ほこりの多い天体のための7種類のPHOENIXベース大気モデルのセットとSEDを比較し、大気パラメータを推定した。
• 広い初期条件および形成シナリオの範囲を考慮して、進化モデルを適用し、同伴星の質量を推定した。
• 円盤不安定性モデル（H. Klahr）を用いて、同伴星の性質が原始惑星系円盤内での重力不安定性による形成と整合するかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 新しい高対比画像データに基づき、κ Andromedae bの精緻化された近赤外線photometricおよび分光的特性は何か？
• RQ2 κ Andromedae bの有効温度および表面重力は何か？また、モデル大気と比較するとどうなるか？
• RQ3 κ Andromedae bの推定質量は何か？また、進化モデルの予測と比較するとどうなるか？
• RQ4 広い軌道分離と質量を考慮すると、κ Andromedae bの形成は円盤不安定性モデルと整合的か？
• RQ5 星の回転は、主星κ Andromedae Aの推定大気パラメータ、特に表面重力にどのように影響するか？正確な重力推定のためにはどの補正が必要か？

主な発見

• 本研究では、κ Andromedae bの改善されたphotometryを報告した：J = 15.86 ± 0.21 mag、H = 14.95 ± 0.13 mag、Ks = 14.32 ± 0.09 mag。
• κ Andromedae bの有効温度は1090 ± 300 K、表面重力はlog g = 3.50 ± 0.08 dexと特定され、Hγ線プロファイルのフィッティングから導かれた。
• Huang & Gies（2006）の補正を適用した結果、主星κ Andromedae Aの真の極表面重力log g_pol = 3.78 ± 0.08 dexと推定された。これは、補正なしの従来の推定値より低い値である。
• 進化モデルを用いた結果、同伴星の質量は約13.5 M_Jupと推定され、広い軌道を回るガス惑星の形成シナリオと整合的である。
• 円盤不安定性モデルの結果、システムの初期条件を考慮すると、質量および分離距離を踏まえて、κ Andromedae bの形成は物理的に妥当であると考えられる。
• 解析の結果、Hγ線のフィッティングには2つの解が得られた：1つは線核と翼をよく再現するが幅を小さく推定し、もう1つは幅をよく再現するが翼を不足推定する。最終的なパラメータは、両者の重み付き平均である。