[논문 리뷰] Atmospheric Compositions of Three Brown Dwarfs and Implications for their Formation Conditions

Nikku Madhusudhan, Dániel Apai외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 09.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 5인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 고신호대비비율(Hubble Space Telescope)의 근적외선 스펙트럼을 이용해 세 개의 미드-T 백색왜성의 대기 화학 조성을 분석하여, 태양 이하의 금속성과 C/O 비율이 0.4에서 1.0 사이임을 규명하였다. 이러한 조성은 고립된 중력 수축이 아닌 디스크 유착 이후 탈출을 통해 형성된 것으로 나타나며, 백색왜성이 초기 은하 화학 비균일성의 탐사 수단이 될 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

The formation mechanisms and chemical compositions of brown dwarfs likely span a diverse range. If they are formed predominantly in isolation by gravitational collapse like dwarf stars then their compositions might follow those of dwarf stars, spanning a relatively narrow range in metallicities (~ -0.4 to +0.4 dex) and predominantly oxygen-rich (C/O 0.5~dex), which is thought to be a consequence of formation by core-accretion in a circumstellar disk. In this study we determine the atmospheric chemical compositions of three brown dwarfs and find them to be neither characteristic of dwarf stars nor giant planets. We derive high-precision atmospheric chemical abundances using high-S/N HST near-infrared spectra of three mid T Dwarfs which, together with two previously studied objects, display distinctly sub-solar metallicities and span C/O ratios of 0.4-1.0. These abundance patterns indicate either an old sub-stellar population and a multitude of formation environments or objects formed in circumstellar disks followed by ejection later. We show that for a simple synthetic model population of brown dwarfs with the same spectral-type as our sample the predicted age distribution is predominantly older than the Sun and, hence, more metal poor, consistent with our derived abundances. The diverse C/O ratios we find are indicative of either different chemical reservoirs in their formation environments or different formation pathways. Our results open the possibility that cool brown dwarfs may provide important probes of early galactic chemical evolution and inhomogeneity.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 Hubble 우주 망원경 데이터를 이용해 세 개의 미드-T 백색왜성의 대기 화학 조성을 규명하기.
• 은하계의 별과 거대 행성과의 비교를 통해 백색왜성의 형성 메커니즘을 화학 조성 분석을 통해 탐구하기.
• 관측된 조성이 고립된 중력 수축인지, 또는 디스크 기반 형성 후 탈출인지 일치하는지 평가하기.
• 유도된 조성의 은하 화학 진화 및 백색왜성의 연령 분포에 대한 함의 평가하기.
• 합성 인구 모델이 관측된 조성 패턴과 연령 분포를 재현할 수 있는지 테스트하기.

제안 방법

• Hubble 우주 망원경의 WFC3 기구를 이용해 세 개의 미드-T 왜성에 대한 고신호대비비율 근적외선 스펙트로스코피 수행.
• 스펙트럼 데이터로부터 화학 조성, 온도 프로파일, 구름 커버리지 등을 유도하기 위한 대기 회수 분석 수행.
• 관측된 스펙트럼을 해석하고 대기 특성을 유추하기 위해 복사 전달 및 화학 평형 모델 적용.
• 은하계형성 초기 질량 함수와 다양한 형성률을 가진 보조 인구 모델을 사용해 연령 및 중력 분포 시뮬레이션.
• 모델 예측과 관측된 조성 패턴을 비교하여 형성 가설과의 일치성 평가.
• 이전에 연구된 두 개의 백색왜성 데이터를 통합해 총 다섯 개의 T 왜성 샘플을 구성하여 비교 분석 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 미드-T 백색왜성의 대기 조성이 별과 유사하게 고립된 중력 수축에 의해 형성된 것으로 예상되는 것과 일치하는가?
• RQ2 관측된 태양 이하의 금속성과 변동성이 큰 C/O 비율은 거대 행성에서 관찰된 것과 유사하게 원반 주위에서의 핵 유착을 통한 형성과 일치하는가?
• RQ3 미드-T 백색왜성의 연령 분포는 그들의 형성 역사와 금속성 진화에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ4 합성 인구 모델이 관측된 조성 패턴과 연령 분포를 재현할 수 있는가?
• RQ5 백색왜성은 초기 은하 화학 진화와 비균일성의 탐사에 얼마나 유용한 탐사 수단이 될 수 있는가?

주요 결과

• 세 개의 미드-T 백색왜성은 탄소, 산소, 질소의 태양 이하 금속성을 나타내며, [C/H]와 [O/H] 값이 태양 이하이다.
• 세 개의 물체의 C/O 비율은 0.4에서 1.0 사이로, 샘플 내에서 뚜렷한 화학 다양성을 나타낸다.
• 유도된 조성은 고립된 중력 수축에 의한 형성과 일치하지 않으며, 이 경우 태양 또는 태양 초과 금속성과 낮은 C/O 비율을 예측할 것이다.
• 모의된 미드-T 백색왜성 인구의 연령 분포는 태양보다 오래된 물체가 지배적이며, 관측된 태양 이하 금속성과 일치한다.
• 관측된 조성 패턴은 원반 주위에서 형성된 후 천체 역학적 탈출이 일어난 것으로 가장 잘 설명된다. 이는 자유로운 궤도를 도는 거대 행성과 유사하다.
• 결과적으로 냉각된 백색왜성은 초기 은하 화학 진화와 비균일한 풍화 과정을 탐사하는 데 있어 귀중한 탐사 도구가 될 수 있음을 시사한다.