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

M. Bonnefoy, Thayne Currie+65 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2013

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 34

ひとこと要約

本研究では、Keck/NIRC2およびLBTI/LMIRCamを用いて、広い軌道を回るガス惑星型の補助星κ Andromedae bの新しい高コントラスト画像観測を実施し、近赤外域の光度およびスペクトルエネルギー分布を導出している。解析では、適応望遠鏡データと大気モデルを組み合わせ、その温度（1900+100−200 K）、光度（log10(L/L⊙) = −3.76 ± 0.06）、質量（'ホットスタート'モデル下で14+25−2 MJup）を制約しており、これは分類上は褐色矮星に属すると示唆され、ディスク不安定性による形成メカニズムが妥当である可能性を示している。

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 {\kappa} 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 {\mu}m (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 {\kappa} 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 {\kappa} 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 {\kappa} And b.

研究の動機と目的

• 高コントラスト画像法を用いて、直接撮像された補助星κ Andromedae bの光度および分光的特徴を向上させること。
• Ks、L′、NB 4.05、M′バンドでの新しい観測から、補助星の近赤外域スペクトルエネルギー分布（SED）を特定すること。
• PHOENIXベースの大気モデルと進化トラックを用いて、κ Andromedae bの大気的および進化的性質を制約すること。
• 質量、分離距離、系の年齢に基づき、ディスク不安定性とコア降着の形成メカニズムを比較評価すること。
• 初期条件および進化モデルの不確実性を考慮して、系の年齢と質量推定値を精緻化すること。

提案手法

• Ks（2.146 µm）、L′（3.776 µm）、NB 4.05（4.052 µm）、M′（4.78 µm）バンドで、Keck/NIRC2およびLBTI/LMIRCamを用いて高コントラストの角度微分画像法（ADI）データを取得した。
• 残留スピークルノイズを低減するため、特殊な解析手法を用いてADIデータからの全光度抽出を実施した。
• 得られた光度を、若いおよび古い天体の基準と比較し、ほこりの形成を含む7種類のPHOENIXベース大気モデルのセットと照合した。
• 'ホットスタート'および'ウォームスタート'進化モデルを用いて質量を推定し、保守的な年齢範囲（30+120−10 Myr）を組み込んだ。
• 大規模な分離距離での即座の形成可能性を評価するため、専用のディスク不安定性形成モデルを適用した。
• 表面重力の推定値を、急速に回転する主星の影響を補正するために、Huang & Gies（2006）の手法を用いて、大気パラメータの正確性を向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 新しい高コントラスト観測に基づくκ Andromedae bの近赤外域スペクトルエネルギー分布（SED）は何か？
• RQ2 補助星の最適適合大気パラメータ（効果的温度、表面重力）は何か？
• RQ3 κ Andromedae bの推定質量は何か？ また、進化モデルの仮定にどのように依存するか？
• RQ4 原始的ディスク内でのディスク不安定性は、観測された位置と質量を説明できるか？
• RQ5 系の年齢および質量-光度関係の不確実性が、補助星が惑星か褐色矮星かという分類に与える影響は何か？

主な発見

• 補助星は、Ks、L′、NB 4.05、M′バンドのすべての新しい高コントラスト観測で高い信噪比で再検出された。
• 得られたJ、H、Ks、NB 4.05、M′の視等級は、それぞれJ = 15.86 ± 0.21、H = 14.95 ± 0.13、Ks = 14.32 ± 0.09、NB 4.05 = 13.0 ± 0.2、M′ = 13.3 ± 0.3 magであった。
• 補助星の光度はlog10(L/L⊙) = −3.76 ± 0.06、大気モデルに基づく効果的温度は1900+100−200 Kであった。
• 進化モデルの結果、'ホットスタート'仮定下で質量は14+25−2 MJup、'ウォームスタート'モデル下でM ≥ 11 MJupと推定され、年齢の不確実性が質量の不確実性の主な要因であることが判明した。
• 年齢および質量-光度関係の不確実性のため、物体の質量は主に褐色矮星領域に位置するが、巨大ガス惑星である可能性も残っている。
• 原始的ディスク内でのディスク不安定性は、κ Andromedae bの広い分離距離と観測された質量範囲と整合する、妥当な形成メカニズムである。