[논문 리뷰] Chemical abundances of 1111 FGK stars from the HARPS GTO planet search program.Galactic stellar populations and planets

V. Adibekyan, S. G. Sousa외 6명|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 10.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 69인용 수 263

한 줄 요약

이 연구는 HARPS GTO exoplan트 탐색에서 유도된 1,111개의 FGK 항성에서 12개의 내성 원소에 대한 통일되고 고정밀도의 원소 농도 분석을 수행한다. 이는 LTE 스펙트럼 합성과 MOOG를 사용하여 수행되었으며, 거대 행성 주위 항성은 모든 원소에서 강한 금속성 농도 향상을 확인하였고, 해왕성형/초지구형 행성 주위 항성은 α-원소에 대해 명백한 급격한 하한선을 보이며 금속성이 그들의 형성에 핵심적인 역할을 한다는 것을 시사한다. 또한 알루미늄, 스코듐, 코발트, 칼슘에 대해 화학적으로 구분된 얇은 디스크와 두꺼운 디스크 인구를 밝혀냈다.

ABSTRACT

We performed a uniform and detailed abundance analysis of 12 refractory elements (Na, Mg, Al, Si, Ca, Ti, Cr, Ni, Co, Sc, Mn and V) for a sample of 1111 FGK dwarf stars from the HARPS GTO planet search program. 109 of these stars are known to harbour giant planetary companions and 26 stars are hosting exclusively Neptunians and super-Earths. The main goals of this paper are i) to investigate whether there are any differences between the elemental abundance trends for stars of different stellar populations; ii) to characterise the planet host and non-host samples in term of their [X/H]. The extensive study of this sample, focused on the abundance differences between stars with and without planets will be presented in a parallel paper. The equivalent widths of spectral lines are automatically measured from HARPS spectra with the ARES code. The abundances of the chemical elements are determined using a LTE abundance analysis relative to the Sun, with the 2010 revised version of the spectral synthesis code MOOG and a grid of Kurucz ATLAS9 atmospheres. To separate the Galactic stellar populations we applied both a purely kinematical approach and a chemical method. We found that the chemically separated (based on the Mg, Si, and Ti abundances) thin and thick discs are also chemically disjunct for Al, Sc, Co and Ca. Some bifurcation might also exist for Na, V, Ni, and Mn, but there is no clear boundary of their [X/Fe] ratios. We confirm that an overabundance in giant-planet host stars is clear for all the studied elements.We also confirm that stars hosting only Neptunian-like planets may be easier to detect around stars with similar metallicities as non-planet hosts, although for some elements (particulary alpha-elements) the lower limit of [X/H] are very abrupt.

연구 동기 및 목표

• 은하계 항성 인구(얇은 디스크 대비 두꺼운 디스크) 간의 원소 농도 경향 차이를 조사하는 것.
• 거대 행성, 해왕성형, 초지구형 행성 주위 항성과 비주위 항성 간의 [X/H] 기준으로 화학 조성을 규명하는 것.
• 일관된 분광 기법을 사용하여 대규모이고 균일한 샘플에서 농도 측정의 신뢰성과 일관성을 평가하는 것.
• 운동역학적 및 화학적 인구 분리 방법이 태양계 근처 항성 인구를 일관되게 규명하는지 확인하는 것.
• 특히 저질량 행성의 형성에 있어 금속성과 α-원소의 역할을 검토하는 것.

제안 방법

• 고해상도 HARPS 스펙트럼에서 ARES 코드를 사용해 스펙트럼선의 등가폭(EW)을 측정하였다.
• LTE 분석을 통해 MOOG 스펙트럼 합성 코드와 Kurucz ATLAS9 모델 대기와 함께 원소 농도를 결정하였다.
• 얇은 디스크와 두꺼운 디스크 항성을 분리하기 위해 운동역학적 및 화학적 방법(마그네슘, 실리콘, 티타늄 기반)을 적용하였다.
• Sousa 등(2008, 2011)에서 유도된 일관된 분광 분석 기반의 항성 파라미터(Teff, log g, [Fe/H], 미세난류)를 사용하였다.
• 대기 파라미터를 변화시켜 Teff, log g, 미세난류의 불확실성에 따른 [X/H] 민감도를 평가하기 위해 오차 분석을 수행하였다.
• 계속적인 편향을 최소화하기 위해 [Fe/H]와 Teff에 대한 컷을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 α-원소 외의 내성 원소에서 얇은 디스크와 두꺼운 디스크 항성 간에 유의미한 화학적 차이가 있는가?
• RQ2 거대 행성 주위 항성은 비주위 항성과 비교해 모든 연구된 원소에서 일관된 과잉 농도를 보이는가?
• RQ3 해왕성형 또는 초지구형 행성만을 가진 항성은 특히 α-원소에서 특이한 농도 패턴을 보이는가?
• RQ4 운동역학적 및 화학적 인구 분리 방법이 항성 인구를 식별하는 데 얼마나 일치하는가?
• RQ5 해왕성형 주위 항성에서 일부 원소에 대해 [X/H]에 명백한 경계 또는 급격한 하한선이 존재하는가, 이는 형성 제약을 시사하는가?

주요 결과

• 화학적으로 분리된 얇은 디스크와 두꺼운 디스크 인구는 기존의 마그네슘, 실리콘, 티타늄 외에도 알루미늄, 스코듐, 코발트, 칼슘에 대해 [X/Fe]에서 명백한 분리가 나타났다.
• 금속성이 낮고 α-강화된 항성의 농도 경향은 금속성이 높은 항성과 체계적으로 다름을 보이며, 서로 다른 형성 역사를 시사한다.
• 거대 행성 주위 항성은 연구된 12개 원소 전부에서 뚜렷한 과잉 농도를 보이며, 행성 형성의 코어 응집 모델을 지지한다.
• 해왕성형/초지구형 행성 주위 항성은 α-원소(특히 마그네슘)에 대해 급격한 하한선을 보이며, 특히 마그네슘([Mg/H] ≈ 0.09 dex)에서 가장 큰 농도 차이가 관측되었다.
• 해왕성형 행성만을 가진 항성은 비주위 항성과 유사한 금속성에서 더 쉽게 탐지 가능하며, 이는 이러한 행성의 형성에 금속성 임계치가 존재함을 시사한다.
• 나트륨, 바나듐, 니켈,マン간의 [X/Fe] 비율에서 얇은 디스크와 두꺼운 디스크 인구 간에 명백한 경계가 없지만, 일부 이중성의 흔적이 제기된다.