[論文レビュー] Chemical abundances of 1111 FGK stars from the HARPS GTO planet search program.Galactic stellar populations and planets

V. Adibekyan, S. G. Sousa+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 69被引用数 263

ひとこと要約

本研究では、HARPS GTO系外惑星探索から得られた1,111個のFGK型星に対して、LTEスペクトル合成とMOOGを用いて、12種の難揮発性元素の均一で高精度な元素組成分析を実施した。巨星系外惑星を有する星では、全元素において強い金属量増加が確認された一方、海王星型／スーパーアース型惑星を有する星では、アルファ元素における[X/H]の明確な急激な下限が観測された。これは金属量がその形成に重要な役割を果たしている可能性を示唆する。また、Al、Sc、Co、Caについて、化学的に区別可能な薄い円盤および厚い円盤の星群が特定された。

ABSTRACT

We performed a uniform and detailed abundance analysis of 12 refractory elements (Na, Mg, Al, Si, Ca, Ti, Cr, Ni, Co, Sc, Mn and V) for a sample of 1111 FGK dwarf stars from the HARPS GTO planet search program. 109 of these stars are known to harbour giant planetary companions and 26 stars are hosting exclusively Neptunians and super-Earths. The main goals of this paper are i) to investigate whether there are any differences between the elemental abundance trends for stars of different stellar populations; ii) to characterise the planet host and non-host samples in term of their [X/H]. The extensive study of this sample, focused on the abundance differences between stars with and without planets will be presented in a parallel paper. The equivalent widths of spectral lines are automatically measured from HARPS spectra with the ARES code. The abundances of the chemical elements are determined using a LTE abundance analysis relative to the Sun, with the 2010 revised version of the spectral synthesis code MOOG and a grid of Kurucz ATLAS9 atmospheres. To separate the Galactic stellar populations we applied both a purely kinematical approach and a chemical method. We found that the chemically separated (based on the Mg, Si, and Ti abundances) thin and thick discs are also chemically disjunct for Al, Sc, Co and Ca. Some bifurcation might also exist for Na, V, Ni, and Mn, but there is no clear boundary of their [X/Fe] ratios. We confirm that an overabundance in giant-planet host stars is clear for all the studied elements.We also confirm that stars hosting only Neptunian-like planets may be easier to detect around stars with similar metallicities as non-planet hosts, although for some elements (particulary alpha-elements) the lower limit of [X/H] are very abrupt.

研究の動機と目的

• 銀河の星の集団（薄い円盤対厚い円盤）における元素組成の傾向の違いを調査すること。
• 巨星系外惑星、海王星型／スーパーアース型惑星を有する星と非ホスト星との間の[X/H]の観点から、星の化学的組成を特徴づけること。
• 一貫した分光的手法を用いて、大規模で均質なサンプルにおける組成測定の信頼性と一貫性を評価すること。
• 運動学的および化学的集団分離手法が、太陽系近傍の星の集団を一貫して特定できるかどうかを検証すること。
• 特に低質量惑星に対して、金属量およびアルファ元素が惑星形成に果たす役割を検討すること。

提案手法

• 高分解能HARPSスペクトルを用いて、ARESコードを用いてスペクトル線の等価幅（EWs）を測定した。
• LTE解析を用い、MOOGスペクトル合成コードとKurucz ATLAS9モデル大気を用いて元素組成を決定した。
• 星の薄い円盤および厚い円盤への分離に、運動学的および化学的両手法（Mg、Si、Tiを根拠に）を適用した。
• Sousaら（2008, 2011）で得られた一貫した分光的解析に基づく星のパラメータ（Teff、log g、[Fe/H]、微乱乱速度）を用いた。
• Teff、log g、微乱乱速度の不確実性に対する[X/H]の感度を評価するため、大気パラメータを変動させて誤差解析を実施した。
• 系統的バイアスを最小限に抑えるために、[Fe/H]およびTeffにカットを適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アルファ元素以外の難揮発性元素において、薄い円盤星と厚い円盤星の間で顕著な化学的差異が見られるか？
• RQ2 巨星系外惑星を有する星は、非ホスト星と比較して、全12元素において一貫した過剰を示すか？
• RQ3 海王星型またはスーパーアース型惑星を有する星は、特にアルファ元素において特徴的な組成パターンを示すか？
• RQ4 運動学的および化学的集団分離手法が、星の集団を同定する際にどの程度一致するか？
• RQ5 海王星型惑星を有する星において、特定の元素の[X/H]に明確な境界または急激な下限が存在するか？これは形成制約を示唆する可能性がある。

主な発見

• 化学的に分離された薄い円盤および厚い円盤の星群は、既知のMg、Si、Tiの違いに加え、Al、Sc、Co、Caの[X/Fe]において明確な分離を示した。
• 金属量が乏しいアルファ元素が強化された星の組成傾向は、金属量が豊富な星とは系統的に異なり、異なる形成歴を示唆している。
• 巨星系外惑星を有する星では、全12元素において顕著な過剰が確認され、惑星形成のコア・アッセムブリーモデルを支持する。
• 海王星型／スーパーアース型惑星を有する星では、アルファ元素（特にMg）の[X/H]に急激な下限が観測され、Mgでは最大の組成差（[Mg/H] ≈ 0.09 dex）が観察された。
• 海王星型惑星を有する星は、非ホスト星と比較して、同程度の金属量の星においてより容易に検出可能であり、このような惑星の形成には金属量のしきい値がある可能性を示唆する。
• Na、V、Ni、Mnの[X/Fe]比において、薄い円盤および厚い円盤の星群の間に明確な境界は認められなかったが、一部で二重化の兆候が示された。