[논문 리뷰] ALMA observations of the nearby AGB star L2 Puppis - I. Mass of the central star and detection of a candidate planet

P. Kervella, W. Homan외 5명|Research Explorer (The University of Manchester)|2016. 11. 18.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 61인용 수 37

한 줄 요약

ALMA의 고해상도 관측(350 GHz)을 통해 이 연구는 L2 Puppis의 중심 AGB 별 질량을 0.659 ± 0.052 M☉로 측정하였으며, 이는 케플러 운동 기반의 기체 디스크 모델링을 통해 이루어졌고, 2 AU 거리에 질량 12 ± 16 M_Jup인 후보 행성 또는 백색왜성과 유사한 천체를 탐지하였다. 이는 태양의 AGB 단계에서의 행성계에 대한 희귀한 실시간 유사체를 제공한다.

ABSTRACT

Six billion years from now, while evolving on the asymptotic giant branch (AGB), the Sun will metamorphose from a red giant into a beautiful planetary nebula. This spectacular evolution will impact the Solar System planets, but observational confirmations of the predictions of evolution models are still elusive as no planet orbiting an AGB star has yet been discovered. The nearby AGB red giant L2 Puppis (d = 64 pc) is surrounded by an almost edge-on circumstellar dust disk. We report new observations with ALMA at very high angular resolution (18 x 15 mas) in band 7 (f ~ 350 GHz) that allow us to resolve the velocity profile of the molecular disk. We establish that the gas velocity profile is Keplerian within the central cavity of the dust disk, allowing us to derive the mass of the central star L2 Pup A, mA = 0.659 +/- 0.011 +/- 0.041 Msun (+/- 6.6%). From evolutionary models, we determine that L2 Pup A had a near-solar main sequence mass, and is therefore a close analog of the future Sun in 5 to 6 Gyr. The continuum map reveals the presence of a secondary source (B) at a radius of 2 AU contributing fB/ fA = 1.3 +/- 0.1% of the flux of the AGB star. L2 Pup B is also detected in CO emission lines at a radial velocity of vB = 12.2 +/- 1.0 km/s. The close coincidence of the center of rotation of the gaseous disk with the position of the continuum emission from the AGB star allows us to constrain the mass of the companion to mB = 12 +/- 16 MJup. L2 Pup B is most likely a planet or low mass brown dwarf with an orbital period around 5 years. Its continuum brightness and molecular emission suggest that it may be surrounded by an extended molecular atmosphere or an accretion disk. L2 Pup therefore emerges as a promising vantage point on the distant future of our Solar System.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 ALMA 관측을 통해 L2 Puppis의 분자 기체 디스크의 속도 구조를 분석함으로써 중심 AGB 별의 정밀 질량 측정을 목적으로 한다.
• L2 Puppis의 원환성 환경에 존재할 수 있는 가짜 위성의 존재와 성질을 조사하여, 이가 이중성 성운의 형성에 영향을 줄 수 있는지를 탐구한다.
• 역학적 질량과 별 진화 모델을 결합하여 L2 Puppis의 진화 상태와 초기 주계열 질량을 규명한다.
• 2 AU 거리에서 탐지된 보조 천체가 행성, 백색왜성, 또는 고밀도 먼지·기체 덩어지인지를 운동학적 및 광학적 성질을 바탕으로 평가한다.
• 특히 태양형 별의 AGB 단계 동안 행성계의 생존 가능성을 이해하는 데 있어 이 시스템의 의미를 탐색한다.

제안 방법

• L2 Puppis의 주변 기체 디스크의 속도 구조를 해석하기 위해 약 350 GHz에서 고각해상도(18 × 15 mas)의 ALMA 밴드 7 관측을 확보하였다.
• 관측된 기체 속도 프로파일을 케플러 운동으로 모델링하여, 식 M = (v²r)/G를 사용해 중심 별의 역학적 질량을 유도하였다.
• 히파르코스의 지름각 및 별 진화 모델을 활용해 L2 Puppis의 초기 주계열 질량와 현재 연령을 추정하였다.
• 연속 스펙트럼 및 CO 방출 맵을 분석하여 약 2 AU 거리에 있는 보조 천체를 탐지하였으며, 중심 별에 대한 복사율 비율과 도플러 속도를 측정하였다.
• 시스템의 역학적 중심이 중심 별 위치와 일치하고, 관측된 도플러 속도 이격을 고려하여 보조 천체의 질량을 제약 조건을 설정하였다.
• 시간에 따라 지속성, 형태, 방출 특징을 비교함으로써, 먼지 덩어리 등의 대안 가설을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 케플러 운동 기반의 주변 기체 디스크에서 유도된 L2 Puppis 중심 AGB 별의 정밀 역학적 질량은 얼마인가요?
• RQ2 2 AU 거리에서 탐지된 보조 천체는 운동학적 및 광학적 성질을 바탕으로 행성 질량의 위성, 백색왜성, 또는 일시적인 먼지 덩어지인가요?
• RQ3 유도된 L2 Puppis의 질량이 초기 주계열 질량와 비교하여 어떻게 다른가요? 이는 그의 진화 역사에 어떤 함의를 갖는가요?
• RQ4 보조 천체의 궤도 운동과 방출 특성은 응집 디스크 또는 확장된 분자 대기로 설명될 수 있는가요?
• RQ5 이 시스템은 태양의 AGB 단계 동안의 미래 진화에 대해 얼마나 실시간으로 유사체로 기능할 수 있나요?

주요 결과

• 중심 별 L2 Puppis A의 역학적 질량은 0.659 ± 0.011 ± 0.041 M☉로 측정되었으며, 총 오차는 ±6.6%로, 히파르코스 지름각 오차에 의해 주로 결정된다.
• 중심 별의 초기 주계열 질량는 태양과 유사한 수준(약 1 M☉)으로 일치하여, 약 5–6 Gyr 후 태양과 유사한 유사체임을 시사한다.
• 2 AU의 투영 거리에 보조 천체(L2 Puppis B)가 탐지되었으며, 중심 별의 연속 스펙트럼에 대한 기여 비율은 1.3 ± 0.1%이다.
• 보조 천체는 중심 별 주위의 궤도 운동과 일치하는 도플러 속도 12.2 ± 1.0 km s⁻¹에서 CO 방출을 탐지하였다.
• 보조 천체의 질량는 12 ± 16 M_Jup로 제약 조건이 설정되었으며, 이는 행성 또는 저질량의 백색왜성 기원을 지지하지만, 고밀도 물질 덩어리의 가능성도 배제할 수 없다.
• 디스크의 운동학적 중심이 중심 별과 정렬되어 있고, 이중성 콘의 존재를 포함한 시스템의 형태학적 특성은 밀도가 높고 장기적으로 지속되는 위성의 존재를 지지한다.