[논문 리뷰] First light of the VLT planet finder SPHERE. I. Detection and characterization of the sub-stellar companion GJ 758 B

A. Vigan, M. Bonnefoy외 73명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2015. 11. 12.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 103인용 수 63

한 줄 요약

이 논문은 VLT의 SPHERE 기구를 사용하여 저질량 병행성 GJ 758 B에 대한 최초의 고대비 근적외선 이미징을 제시하며, 재검출를 확인하고 Y, J, H, Ks 대역에서 향상된 광도측정을 제공한다. 광범위한 모델링에도 불구하고, 모든 관측된 복사류를 정확히 맞추는 대기 모델이 존재하지 않으며, 이는 보조성의 유효온도(600 ± 100 K)와 스펙트럼형(T8)을 제약하기 위해 모델 격자에 금속성 농축이 반드시 필요하다는 것을 강조한다.

ABSTRACT

GJ758 B is a brown dwarf companion to a nearby (15.76 pc) solar-type, metal-rich (M/H = +0.2 dex) main-sequence star (G9V) that was discovered with Subaru/HiCIAO in 2009. From previous studies, it has drawn attention as being the coldest (~600K) companion ever directly imaged around a neighboring star. We present new high-contrast data obtained during the commissioning of the SPHERE instrument at the VLT. The data was obtained in Y-, J-, H-, and Ks-bands with the dual-band imaging (DBI) mode of IRDIS, providing a broad coverage of the full near-infrared (near-IR) range at higher contrast and better spectral sampling than previously reported. In this new set of high-quality data, we report the re-detection of the companion, as well as the first detection of a new candidate closer-in to the star. We use the new 8 photometric points for an extended comparison of GJ758 B with empirical objects and 4 families of atmospheric models. From comparison to empirical object, we estimate a T8 spectral type, but none of the comparison object can accurately represent the observed near-IR fluxes of GJ758 B. From comparison to atmospheric models, we attribute a Teff = 600K $\pm$ 100K, but we find that no atmospheric model can adequately fit all the fluxes of GJ758 B. The photometry of the new candidate companion is broadly consistent with L-type objects, but a second epoch with improved photometry is necessary to clarify its status. The new astrometry of GJ758 B shows a significant proper motion since the last epoch. We use this result to improve the determination of the orbital characteristics using two fitting approaches, Least-Square Monte Carlo and Markov Chain Monte Carlo. Finally, we analyze the sensitivity of our data to additional closer-in companions and reject the possibility of other massive brown dwarf companions down to 4-5 AU. [abridged]

연구 동기 및 목표

• VLT의 SPHERE 기구를 이용한 고대비 영상 기반으로 GJ 758 B라는 저질량 병행성을 재검출하고 특성화하는 것.
• Y, J, H, Ks 대역의 다중대역 데이터를 이용하여 GJ 758 B의 광도측정 및 천문학적 정밀도를 향상시키는 것.
• 업데이트된 천문학적 측정 및 라디얼 속도 데이터를 활용하여 GJ 758 B의 궤도 매개변수를 평가하는 것.
• 병행성의 특성과 실측 물체 및 대기 모델 간의 일관성을 평가하는 것.
• 감도 분석을 통해 4–5 AU 이내에 추가 병행성 존재 여부를 조사하는 것.

제안 방법

• IRDIS 기구의 이중대역 영상(DBI) 모드를 사용하여 Y에서 Ks 대역까지의 전체 근적외선 범위를 커버하는 고대비 영상 데이터를 확보하였다.
• 여덟 개의 광도측정 점을 통해 스펙트럼 에너지 분포(Spectral Energy Distribution, SED)를 구성하기 위해 광도 추출 및 복사류 보정을 수행하였다.
• 두 가지 독립적인 궤도 피팅 기법—최소제곱 몬테카를로 및 마르코프 체인 몬테카를로—를 적용하여 업데이트된 천문학적 측정을 바탕으로 궤도 요소를 정밀화하였다.
• GJ 758 B의 관측 SED를 실측 물체(예: T형 혜성별) 및 네 가지 대기 모델 가족—BT-SETTL14, Exo-REM, Morley+12, Saumon+12—와 비교하였다.
• χ² 최소화 기법을 사용하여 모델 적합도를 평가하고, 금속성 농도([M/H]) 및 α원소 농도([α])가 모델 성능에 미치는 영향을 분석하였다.
• 영상 데이터와 기록된 라디얼 속도 측정치를 활용하여 4–5 AU 이내에 추가적인 질량이 큰 혜성별 병행성이 존재할 가능성을 배제하기 위해 감도 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 VLT의 SPHERE 기구는 저질량 병행성 GJ 758 B를 재검출하고, 더 높은 정밀도의 광도측정을 제공할 수 있는가?
• RQ2 GJ 758 B의 전체 근적외선 SED를 바탕으로 유효온도와 스펙트럼형의 가장 정확한 추정치는 무엇인가?
• RQ3 현재 대기 모델이 왜 GJ 758 B의 모든 관측 복사류를 동시에 맞추지 못하는가?
• RQ4 GJ 758 B의 궤도 매개변수는 무엇이며, 업데이트된 천문학적 측정치는 궤도를 어떻게 개선하는가?
• RQ5 관측 신호는 단일 병행성과 일치하는가, 아니면 알려지지 않은 내부 병행성으로 인한 가짜 신호일 수 있는가?

주요 결과

• SPHERE를 통해 병행성 GJ 758 B가 성공적으로 재검출되었으며, Y, J, H, Ks 대역에서 8개의 고정밀 광도측정 점이 확보되었다.
• GJ 758 B의 관측 SED는 T8 스펙트럼형과 가장 잘 맞는다. 그러나 실측 물체 중 어느 것도 전체 근적외선 복사류 분포를 정확히 재현하지 못한다.
• 대기 모델링 결과 유효온도는 600 ± 100 K로 도출되었지만, BT-SETTL14, Exo-REM, Morley+12, Saumon+12를 포함한 모든 모델 격자에서 모든 복사류에 대해 만족스러운 적합도를 보이지 않는다.
• 현재 모델 격자에서 금속성 농축(특히 [M/H] 및 [α])이 부족한 것이 물리적 매개변수 정확도 향상에 장애가 되는 주요 원인로 규명되었다.
• 신규 천문학적 측정치는 명백한 운동량을 확인하여 병행성의 운동을 확인하고 궤도 피팅을 향상시켰다.
• MCMC 및 최소제곱 방법을 사용한 궤도 분석은 고이심도 궤도(e ≈ 0.5)를 확인하였으며, 가장 가능성이 높은 반장경은 46.05 AU로 도출되었다.
• 영상 및 라디얼 속도 데이터의 조합으로, 신호가 알려지지 않은 내부 병행성으로 인한 가짜 신호일 가능성은 배제되었다.
• 감도 분석을 통해 GJ 758 주위 4–5 AU 이내에 추가적인 질량이 큰 혜성별 병행성이 존재하지 않음을 배제하였다.
• 별에 더 가까운 곳에서 새로운 병행성 후보가 발견되었으며, 광도측정 결과는 L형 물체와 일치하지만, 확인을 위해 제2차 측정이 필요하다.