[논문 리뷰] Characterization of the gaseous companion {\kappa} Andromedae b: New Keck and LBTI high-contrast observations

M. Bonnefoy, Thayne Currie외 65명|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 18.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 34

한 줄 요약

이 연구는 Keck/NIRC2와 LBTI/LMIRCam를 사용하여 넓은 궤도를 도는 기체 거대행성 형성물 κ Andromedae b에 대한 새로운 고대비 이미징 관측을 제시하며, 근적외선 광도 및 스펙트럼 에너지 분포를 유도한다. 분석은 적응광학 데이터와 대기 모델을 결합하여 온도(1900+100−200 K), 광도(log10(L/L⊙) = −3.76 ± 0.06), 질량('핫스타트' 모델 기준 14+25−2 MJup)을 제약한다. 이는 이 물체가 백색왜성 영역에 위치하며, 디스크 불안정성이 유력한 형성 메커니즘임을 시사한다.

ABSTRACT

We previously reported the direct detection of a low mass companion at a projected separation of 55+-2 AU around the B9 type star {\kappa} Andromedae. The properties of the system (mass ratio, separation) make it a benchmark for the understanding of the formation and evolution of gas giant planets and brown dwarfs on wide-orbits. We present new angular differential imaging (ADI) images of the Kappa Andromedae system at 2.146 (Ks), 3.776 (L'), 4.052 (NB 4.05) and 4.78 {\mu}m (M') obtained with Keck/NIRC2 and LBTI/LMIRCam, as well as more accurate near-infrared photometry of the star with the MIMIR instrument. We derive a more accurate J = 15.86 +- 0.21, H = 14.95 +- 0.13, Ks = 14.32 +- 0.09 mag for {\kappa} And b. We redetect the companion in all our high contrast observations. We confirm previous contrasts obtained at Ks and L' band. We derive NB 4.05 = 13.0 +- 0.2 and M' = 13.3 +- 0.3 mag and estimate Log10(L/Lsun) = -3.76 +- 0.06. We build the 1-5 microns spectral energy distribution of the companion and compare it to seven PHOENIX-based atmospheric models in order to derive Teff = 1900+100-200 K. Models do not set constrains on the surface gravity. ``Hot-start" evolutionary models predict masses of 14+25-2 MJup based on the luminosity and temperature estimates, and considering a conservative age range for the system (30+120-10 Myr). ``warm-start" evolutionary tracks constrain the mass to M >= 11 MJup. Therefore, the mass of {\kappa} Andromedae b mostly falls in the brown-dwarf regime, due to remaining uncertainties in age and mass-luminosity models. According to the formation models, disk instability in a primordial disk could account for the position and a wide range of plausible masses of {\kappa} And b.

연구 동기 및 목표

• 고대비 이미징을 통해 직접적으로 이미징된 형성물 κ Andromedae b의 광도 및 스펙트럼 특성화를 향상시키기 위해.
• Ks, L′, NB 4.05, M′ 대역에서의 신규 관측을 바탕으로 형성물의 근적외선 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 도출하기 위해.
• PHOENIX 기반 대기 모델과 진화 궤적을 사용하여 κ Andromedae b의 대기 및 진화적 특성을 제약하기 위해.
• 질량, 분리거리, 시스템 연령을 바탕으로 디스크 불안정성 대비 핵 축적 형성 메커니즘을 평가하기 위해.
• 초기 조건과 진화 모델의 불확실성을 고려하여 시스템의 연령 및 질량 추정치를 보정하기 위해.

제안 방법

• Ks(2.146 µm), L′(3.776 µm), NB 4.05(4.052 µm), M′(4.78 µm) 대역에서 Keck/NIRC2와 LBTI/LMIRCam를 사용하여 고대비 각도차이 이미징(ADI) 데이터를 확보하였다.
• 잔류 스펙클 노이즈를 억제하기 위해 특수 분석 기법을 적용한 ADI 데이터에서 광도 추출을 수행하였다.
• 유도된 광도를 연령이 어린 및 어린 객체의 기준과 비교하였으며, 먼지 형성 포함 7종의 PHOENIX 기반 대기 모델 세트와도 비교하였다.
• '핫스타트' 및 '워머스타트' 진화 모델을 사용하여 질량을 추정하였으며, 보수적인 연령 범위 30+120−10 Myr를 통합하였다.
• 대규모 분리 거리에서의 현지 형성 가능성을 평가하기 위해 전용 디스크 불안정성 형성 모델을 적용하였다.
• 기본 항성의 빠른 회전을 고려하여 Huang & Gies(2006)의 방법을 사용하여 표면 중력 추정치를 보정하여 대기 파rameter 정확도를 향상시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 신규 고대비 관측 기반으로 κ Andromedae b의 근적외선 스펙트럼 에너지 분포(SED)는 무엇인가요?
• RQ2 형성물의 최적 피팅 대기 파rameter(효과 온도, 표면 중력)는 무엇인가요?
• RQ3 κ Andromedae b의 추정 질량는 얼마이며, 이는 어떤 진화 모델 가정에 따라 달라지나요?
• RQ4 기원 디스크에서의 디스크 불안정성이 관측된 위치와 질량을 설명할 수 있나요?
• RQ5 시스템 연령 및 질량-광도 관계의 불확실성이 형성물의 행 星 또는 백색왜성으로의 분류에 어떻게 영향을 미치나요?

주요 결과

• 형성물은 Ks, L′, NB 4.05, M′ 대역에서 모든 새로운 고대비 관측에서 고신호대노이즈로 재검출되었다.
• 유도된 J, H, Ks, NB 4.05, M′ 등급은 각각 J = 15.86 ± 0.21, H = 14.95 ± 0.13, Ks = 14.32 ± 0.09, NB 4.05 = 13.0 ± 0.2, M′ = 13.3 ± 0.3 mag이다.
• 형성물의 광도는 log10(L/L⊙) = −3.76 ± 0.06이며, 대기 모델 기반으로 효과 온도는 1900+100−200 K이다.
• 진화 모델은 '핫스타트' 조건 하에서 질량 14+25−2 MJup를 나타내며, '워머스타트' 모델에서는 질량 M ≥ 11 MJup로 추정된다. 연령 불확실성이 질량 불확실성의 주요 원인이다.
• 연령 및 질량-광도 관계의 불확실성으로 인해 이 물체의 질량는 주로 백색왜성 영역에 위치하지만, 거대 기체 행성일 가능성도 있다.
• 기원 디스크에서의 디스크 불안정성은 κ Andromedae b의 넓은 분리거리와 관측된 질량 범위와 일치하는 타당한 형성 메커니즘이다.