[論文レビュー] Progress in Modeling Very Low Mass Stars, Brown Dwarfs, and Planetary Mass Objects

F. Allard, D. Homeier+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2013

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 46

ひとこと要約

本論文では、更新された分子吸光係数、太陽系の酸素含有量（Caffau et al. 2011）、および雲の物理を組み込んだPHOENIXコードを用いて、非常に低質量星、褐色矮星、および惑星質量天体の高度な1次元および初期の3次元放射圧流動（RHD）モデルを提示する。BT-Settlモデル大気は、特にM型矮星において、観測されたSedと光度変動の両方において前例のない一致を達成しているが、M-L遷移領域および雲の微小物理的プロセスにおける課題は依然として残っている。

ABSTRACT

We review recent advancements in modeling the stellar to substellar transition. The revised molecular opacities, solar oxygen abundances and cloud models allow to reproduce the photometric and spectroscopic properties of this transition to a degree never achieved before, but problems remain in the important M-L transition characteristic of the effective temperature range of characterizable exoplanets. We discuss of the validity of these classical models. We also present new preliminary global Radiation HydroDynamical M dwarfs simulations.

研究の動機と目的

• 非常に低質量星、褐色矮星、および惑星質量天体のモデル大気の精度を、更新された分子吸光係数および再評価された太陽系酸素含有量を組み込むことで向上させること。
• 系外惑星に関連する有効温度領域であるM-L遷移領域において、古典的モデルが観測された光度およびスペクトル的特徴を再現できないという継続的な乖離を解消すること。
• 回転を含むグローバルな放射圧流動（RHD）シミュレーションを発展・適用し、M型矮星および褐色矮星における雲形成、大気力学、および光度変動をモデル化すること。
• 磁気的抑制が対流を妨える状況下でも、BT-Settlの合成スペクトルおよび色が磁気的活性な、やや活性な、および放射線照射を受けた系外惑星を特徴付けるために信頼できるかを検証すること。
• 今後のグローバルな磁気的RHD（MRHD）シミュレーションの基盤を築き、M型矮星および系外惑星における磁場が対流および半径の膨張に与える影響を研究すること。

提案手法

• 更新された分子吸光係数データベース（TiO、VO、CaH、および水素化物の再評価を含む）を用いたPHOENIX大気コードの利用により、合成スペクトルを計算する。
• Caffau et al. (2011) の太陽含有量セットの採用により、古い値と比較して酸素含有量を約34%低減し、観測されたSedとの一致を向上させる。
• 雲の形成および沈降物理をモデル大気に組み込み、酸化物およびケイ酸塩の凝縮、およびエアロゾルによるミー散乱／レイリー散乱の取り扱いを含む。
• カイ二乗最小化法を用いて、NTT観測によるM型矮星のSed（0.4–1.2 μm）を、M0からM9までのスペクトル型にわたる合成BT-Settlスペクトルと一致させる。
• CO5BOLDコードを用いた回転を含むM型矮星の初歩的なグローバルRHDシミュレーションを実施し、大気の対流セルおよび雲分布パターンを解明する。
• RHDから得られた大気構造を1次元星の進化モデルの境界条件として統合し、冷却および半径予測の精度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再評価された分子吸光係数およびCaffau et al. (2011) の太陽系酸素含有量は、M型矮星の合成スペクトルが観測されたSedにどの程度よく適合するか。
• RQ2 なぜ古典的モデルは依然としてM-L遷移領域を再現できないのか。その原因となる物理的プロセス（例：雲の微小物理、欠落した吸光係数）は何か。
• RQ3 回転を含むグローバルRHDシミュレーションは、L型およびT型矮星で観測された光度変動（例：5–30%の振幅）を再現できるか。また、その背後にある大気的構造は何か。
• RQ4 磁場および回転はM型矮星における対流効率および星の半径にどのように影響するのか。RHDシミュレーションはその抑制を定量的に評価できるか。
• RQ5 磁気的活性性がある場合でも、BT-Settlモデル大気が、特にホットジュピターおよび若い撮像惑星を含む系外惑星の特徴付けにどの程度信頼できるか。

主な発見

• Caffau et al. (2011) の太陽含有量を用いたBT-Settlモデル大気は、M0からM9までのスペクトル系列にわたり、M型矮星の観測Sedと非常に良好に一致しており、特に可視光から近赤外域で顕著である。
• 改善が見られるものの、残存する乖離は青寄りのSed領域に顕著に現れ、MgHおよびCaOHバンドなどの欠落した吸光係数が原因である。
• M型矮星の可視光Sed勾配は良好に再現されているが、M9.5型矮星ではチリの散乱によりスペクトルが平坦化しており、0.1〜1μmサイズのエアロゾルの取り扱いの改善が求められる。
• 回転を含むM型矮星の初期グローバルRHDシミュレーションは、大気の対流セルを正常に解明し、回転が対流効率および雲分布に顕著に影響を与えることを示している。
• L型およびT型矮星で観測された5–30%の光度変動は、複雑で波長依存性のある雲構造と整合的であり、T6.5型矮星のHST/Spitzer同時観測からも裏付けられている。
• 磁気的活性性がある場合でも、BT-Settlの合成スペクトルおよび色は、中程度の活性なVLMおよび系外惑星の特徴付けに頑健である。モデル大気は、対流が完全に抑制されない限り、混合長の変動に対して感度を示さない。