[論文レビュー] Precise radial velocities of giant stars. XI. Two brown dwarfs in 6:1 mean motion resonance around the K giant star $ν$ Ophiuchi

A. Quirrenbach, Trifon Trifonov+2 more|MPG.PuRe (Max Planck Society)|Apr 7, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 81被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、リッキー天文台の150件の高精度径速度測定値と文献データを用いて、K型巨星星νオphiuchiの周囲に、2つの褐色矮星が6:1の平均運動共鳴状態にあることが判明した。自己一貫性のあるN体動力学モデルを用いて、この系が安定な6:1共鳴状態にあり、最小質量がそれぞれ22.2と24.7 M_Jupであることが確認された。これは、褐色矮星が惑星と同じように原始惑星環からの物質吸着によって形成されたのではなく、二重星形成とは異なるメカニズムで生まれたという強力な証拠を示している。

ABSTRACT

We present radial-velocity (RV) measurements for the K giant $ν$ Oph (= HIP88048, HD163917, HR6698), which reveal two brown dwarf companions with a period ratio close to 6:1. For our orbital analysis we use 150 precise RV measurements taken at Lick Observatory between 2000 and 2011, and we combine them with RV data for this star available in the literature. Using a stellar mass of $M = 2.7\,M_\odot$ for $ν$ Oph and applying a self-consistent N-body model we estimate the minimum dynamical companion masses to be $m_1\sin i \approx 22.2\,M_{\mathrm{Jup}}$ and $m_2\sin i \approx 24.7\,M_{\mathrm{Jup}}$, with orbital periods $P_1 \approx 530$ d and $P_2 \approx 3185$ d. We study a large set of potential orbital configurations for this system, employing a bootstrap analysis and a systematic $χ_ν^2$ grid-search coupled with our dynamical fitting model, and we examine their long-term stability. We find that the system is indeed locked in a 6:1 mean motion resonance (MMR), with $Δω$ and all six resonance angles $θ_{1}, \ldots, θ_{6}$ librating around 0$^\circ$. We also test a large set of coplanar inclined configurations, and we find that the system will remain in a stable resonance for most of these configurations. The $ν$ Oph system is important for probing planetary formation and evolution scenarios. It seems very likely that the two brown dwarf companions of $ν$ Oph formed like planets in a circumstellar disk around the star and have been trapped in a MMR by smooth migration capture.

研究の動機と目的

• K型巨星νオphiuchiの周囲に公転する2つの褐色矮星の軌道的配置と長期的安定性を調査すること。
• 観測された6:1の周期比が真の平均運動共鳴（MMR）を示しているかどうかを特定すること。
• 褐色矮星が惑星と同じように原始惑星環からの物質吸着によって形成されたのか、それとも二重星と同じように重力収縮によって形成されたのかを評価すること。
• さまざまな軌道傾きや相対的傾きの下で、共鳴状態の安定性を評価すること。
• 包括的なN体フィッティングモデルとブートストラップ解析を用いて、動的質量と軌道パラメータを制約すること。

提案手法

• 2000年から2011年までの11年間にわたり、リッキー天文台で高精度の径速度測定値を収集し、既存の文献データと統合した。
• 自己一貫性のあるN体動力学モデルを用いて径速度データにフィットさせ、重力的相互作用を考慮しながら、軌道要素を自由に変化させた。
• 最良のフィットを求めるために、主要な軌道パラメータ（P₁、P₂、e₂、ω₂）のχ²グリッドサーチを体系的に行った。
• 合成されたRVデータセットのブートストラップリサンプリングを用いて、フィットされた軌道要素の信頼区間を検証し、統計的整合性を評価した。
• 長期間の動力学的積分（最大10億年）を実施し、共鳴の安定性と共鳴角（θ₁～θ₆）およびΔωの挙動をテストした。
• 共面および傾いた軌道配置をテストし、傾き（i）と相対的傾き（Δi）を変化させることで、さまざまな幾何配置における共鳴の安定性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2つの褐色矮星の間で観測された6:1の周期比は、真の平均運動共鳴を示しているのか？
• RQ2 長期間にわたり、この系は動的安定性を保っているのか？ また、共鳴角は周期的振動（libration）しているのか？
• RQ3 縁面および傾いた配置を含め、広範な軌道傾きの範囲において、この系は共鳴状態を維持できるのか？
• RQ4 最も信頼性の高い最小動的質量の推定値は何か？ また、その値は軌道傾きに依存するのか？
• RQ5 観測された配置は、惑星形成に似た物質吸着による形成を支持するのか？ それとも、二重星形成に似た重力収縮による形成なのか？

主な発見

• この系は安定な6:1の平均運動共鳴状態にあり、全6つの共鳴角（θ₁～θ₆）および恒星的引数Δωが0°の周りで周期的振動している。
• 最小動的質量はそれぞれ22.2 M_Jupおよび24.7 M_Jupであり、公軌道周期はそれぞれ約530日および3185日である。
• 最良のフィット結果である共面で縁面のモデルは、少なくとも10億年間安定しており、半長径の変化は無視できるほど小さく、中程度の離心率の周期的振動振幅を示している。
• ブートストラップ解析により、フィットされた軌道パラメータとその不確実性がN体フィットと整合的で、統計的に信頼できることが確認された。
• i = 5°まで下げる共面傾いた配置すべてが安定で共鳴状態を維持しており、最良のフィット傾きはi = 16°で、質量はそれぞれ82.0と92.0 M_Jupに上昇した。
• 前向きの軌道において、相対的傾きΔiが0°から60°の範囲では系は安定しているが、Δiが60°から150°の範囲では不安定になり、おそらくKozai-Lidov効果によるものである。