[論文レビュー] PEPSI deep spectra. III. A chemical analysis of the ancient planet-host star Kepler-444

Claude E. Mack, K. G. Strassmeier+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 63被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、R ≈ 250,000 の PEPSI データを用いて、K0V型の星 Kepler-444 に対して高分解能・高SN比の分光分析を実施し、18要素の光球層組成を導出。5つの岩石惑星の典型的な鉄コア質量分率は約24%と推定され、金属不足でα過剰の系では、金属豊富な系に比べて岩石惑星の密度が低くなる可能性を示唆。

ABSTRACT

We obtained an LBT/PEPSI spectrum with very high resolution and high signal-to-noise ratio (S/N) of the K0V host Kepler-444, which is known to host 5 sub-Earth size rocky planets. The spectrum has a resolution of R=250,000, a continuous wavelength coverage from 4230 to 9120A, and S/N between 150 and 550:1 (blue to red). We performed a detailed chemical analysis to determine the photospheric abundances of 18 chemical elements, in order to use the abundances to place constraints on the bulk composition of the five rocky planets. Our spectral analysis employs the equivalent width method for most of our spectral lines, but we used spectral synthesis to fit a small number of lines that require special care. In both cases, we derived our abundances using the MOOG spectral analysis package and Kurucz model atmospheres. We find no correlation between elemental abundance and condensation temperature among the refractory elements. In addition, using our spectroscopic stellar parameters and isochrone fitting, we find an age of 10+/-1.5 Gyr, which is consistent with the asteroseismic age of 11+/-1 Gyr. Finally, from the photospheric abundances of Mg, Si, and Fe, we estimate that the typical Fe-core mass fraction for the rocky planets in the Kepler-444 system is approximately 24 per cent. If our estimate of the Fe-core mass fraction is confirmed by more detailed modeling of the disk chemistry and simulations of planet formation and evolution in the Kepler-444 system, then this would suggest that rocky planets in more metal-poor and alpha-enhanced systems may tend to be less dense than their counterparts of comparable size in more metal-rich systems.

研究の動機と目的

• 高分解能分光法を用いて、古代で金属不足の星 Kepler-444 の18要素の正確な光球層組成を特定すること。
• 星の化学組成が、その5つの準地球型岩石惑星の全体組成に制約を及えるかどうかを評価すること。
• 金属不足でα過剰の星が、鉄含有量が低いことから、より密度の低い岩石惑星を有するという仮説を検証すること。
• Kepler-444 の分光的年齢と、11 ± 1 Gyr の分光的年齢との整合性を評価すること。
• 酸素線が、K型星、特に高齢の系において、分光的年齢指標として有効かどうかを検討すること。

提案手法

• 大型二眼望遠鏡に搭載された PEPSI 分光計を用いて、Kepler-444 の高分解能（R ≈ 250,000）かつ高SN比（S/N ≈ 150–550）分光データを取得。
• 大多数のラインについては等価幅法を、複雑または重ね合わせの強いラインについてはスペクトル合成法を用いてスペクトル解析。
• Kurucz のモデル大気を用いた MOOG スペクトル解析パッケージを用いて、元素組成を導出。
• 等パラメータ曲線フィッティング（YaPSI）とジロクロノロジーを用いて星の年齢を推定し、分光的年齢と分光的年齢を照合。
• 凝縮物質量分率の推定に、簡略化された化学ネットワーク（Lodders & Seager モデル）を適用。
• 鉄コア質量分率を、鉄質量分率と鉄とマグネシウムケイ酸塩の質量分率の合計との比として計算。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属不足でα過剰の星 Kepler-444 の、鉄やケイ酸塩を形成する主要な元素（Mg, Si, Fe, O など）の光球層組成は何か？
• RQ2 観測された元素組成が、凝縮温度とどのように相関しているか。これは、微惑星形成にどのような示唆をもたらすか？
• RQ3 星の光球層組成に基づいて、Kepler-444 系の岩石惑星の推定鉄コア質量分率は何か？
• RQ4 Kepler-444 の分光的年齢は、分光的年齢が 11 ± 1 Gyr であることに整合しているか？
• RQ5 [O i]-6300 および O i トリプレット線が、K型星、特に高齢の系において信頼できる年齢指標として機能するか？

主な発見

• 難揮発性元素（T_C > 950 K）に関して、Kepler-444 では元素組成と凝縮温度の間に相関が認められず、ほこりの著しい欠損や分離は発生していないことを示唆。
• 分光的パラメータと等パラメータ曲線フィッティングを用いた星の年齢推定は 10 ± 1.5 Gyr であり、分光的年齢（11 ± 1 Gyr）と整合的。
• Mg, Si, Fe の光球層組成比から、Kepler-444 系の岩石惑星の予想される鉄コア質量分率は約24%と算出された。
• 星は金属不足（[Fe/H] ≈ -0.15 dex）かつα過剰（[α/Fe] ≈ 0.23 dex）であり、厚いディスク起源と古さを示唆。
• [O i]-6300 線と O i トリプレット線から得られた酸素組成の一致は、K型矮星における新たな分光的年齢指標の可能性を示唆。
• 重力沈降により、Kepler-444 の初期金属量は約0.1 dex低減された可能性があり、光球層組成が初期原始惑星環の組成をわずかに低く見積もっている可能性がある。