[논문 리뷰] First light of the VLT planet finder SPHERE. II. The physical properties and the architecture of the young systems PZ Tel and HD 1160 revisited

A.-L. Maire, M. Bonnefoy외 69명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 12.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 139인용 수 63

한 줄 요약

이 연구는 SPHERE 시운전 데이터와 다중 파장 관측을 이용해 청소년기 천체인 PZ Tel과 HD 1160의 물리적 성질과 궤도 구조를 재검토한다. 동반성의 질량, 온도, 밝기 값을 정밀하게 조정하고, 궤도 이심률과 경사각이 높은 경향을 확인하며, '핫스타트' 모델과 향상된 천체측위 측정을 통해 저질량 천체의 존재에 대한 더 강력한 제약 조건을 설정한다.

ABSTRACT

[Abridged] Context. The young systems PZ Tel and HD 1160, hosting known low-mass companions, were observed during the commissioning of the new planet finder SPHERE with several imaging and spectroscopic modes. Aims. We aim to refine the physical properties and architecture of both systems. Methods. We use SPHERE commissioning data and REM observations, as well as literature and unpublished data from VLT/SINFONI, VLT/NaCo, Gemini/NICI, and Keck/NIRC2. Results. We derive new photometry and confirm the nearly daily photometric variability of PZ Tel A. Using literature data spanning 38 yr, we show that the star also exhibits a long-term variability trend. The 0.63-3.8 mic SED of PZ Tel B allows us to revise its properties: spectral type M7+/-1, Teff=2700+/-100 K, log(g)<4.5 dex, log(L/L_Sun)=-2.51+/-0.10 dex, and mass 38-72 MJ. The 1-3.8 mic SED of HD 1160 B suggests a massive brown dwarf or a low-mass star with spectral type M5.5-7.0, Teff=3000+/-100 K, [M/H]=-0.5-0.0 dex, log(L/L_Sun)=-2.81+/-0.10 dex, and mass 39-168 MJ. We confirm the deceleration and high eccentricity (e>0.66) of PZ Tel B. For e<0.9, the inclination, longitude of the ascending node, and time of periastron passage are well constrained. The system is seen close to an edge-on geometry. We reject other brown dwarf candidates outside 0.25" for both systems, and massive giant planets (>4 MJ) outside 0.5" for the PZ Tel system. We also show that K1-K2 color can be used with YJH low-resolution spectra to identify young L-type companions, provided high photometric accuracy (<0.05 mag) is achieved. Conclusions. SPHERE opens new horizons in the study of young brown dwarfs and giant exoplanets thanks to high-contrast imaging capabilities at optical and near-infrared wavelengths, as well as high signal-to-noise spectroscopy in the near-infrared from low (R~30-50) to medium resolutions (R~350).

연구 동기 및 목표

• 고대비 영상 및 스펙트로스코피를 이용해 청소년기 시스템 PZ Tel과 HD 1160의 동반성 물리적 성질을 정밀 조정한다.
• 향상된 천체측위 측정을 활용해 PZ Tel B의 궤도 구조, 특히 이심률과 기울기를 재평가한다.
• SPHERE 탐지 한계와 진화 모델을 이용해 0.25′′ 이상 거리에 추가 저질량 천체가 존재하는지 제약 조건을 설정한다.
• 유도된 표면 온도와 밝기 값이 항성 연령과 금속성 추정치와 일치하는지 평가한다.
• $K1-K2$ 색상과 저해상도 스펙트럼이 청소년기 L형 동반성을 식별하는 데 유용한지 평가한다.

제안 방법

• VLT에서 SPHERE 시운전 데이터를 IRDIS, IFS, ZIMPOL 장비를 이용해 영상 및 스펙트로스코픽 모드로 확보하였다.
• VLT/SINFONI, VLT/NaCo, Gemini/NICI, Keck/NIRC2의 기록 및 미공개 데이터를 결합하여 다중 파장 커버리지를 확보하였다.
• PZ Tel B의 경우 0.63–3.8 μm, HD 1160 B의 경우 1–3.8 μm 범위에서 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 구성하여 물리적 매개변수를 유도하였다.
• 유도된 표면 온도와 밝기를 기반으로 '핫스타트' 진화 모델을 적용하여 질량을 추정하였다.
• 3 mas 이내의 정밀 천체측위 측정을 이용해 궤도 매개변수를 제약 조건화하고 궤도 운동 존재 여부를 검증하였다.
• $K1-K2$ 색상과 $YJH$ 저해상도 스펙트럼을 평가하여 청소년기 L형 동반성을 식별하고 금속성 지표를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PZ Tel B의 정밀화된 물리적 성질(스펙트럼 유형, 표면 온도, 표면 중력, 밝기, 질량)은 무엇인가?
• RQ2 PZ Tel B의 궤도 매개변수—특히 이심률과 기울기—는 시스템의 구조에 어떤 제약 조건을 가하는가?
• RQ3 HD 1160 B의 질량과 물리적 상태는 무엇이며, SED와 진화 모델을 기반으로 저질량 항성 또는 백색왜성 범주에 속하는가?
• RQ4 $K1-K2$ 색상과 $YJH$ 스펙트럼은 청소년기 L형 동반성을 신뢰성 있게 식별하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ5 SPHERE 데이터와 '핫스타트' 모델을 기반으로 PZ Tel 및 HD 1160 시스템에서 추가 저질량 천체의 탐지 한계는 무엇인가?

주요 결과

• PZ Tel B는 재조정된 스펙트럼 유형 M7 ± 1, 표면 온도 2700 ± 100 K, log(g) < 4.5 dex, 밝기 log(L/L☉) = -2.51 ± 0.10 dex, '핫스타트' 모델 기반 질량 범위 38–72 M_J를 가진다.
• HD 1160 B는 스펙트럼 유형 M6.0⁺¹·⁰₋₀·⁵, 표면 온도 3000 ± 100 K, 태양 이하 금속성 [M/H] = -0.5에서 0.0 dex, 밝기 log(L/L☉) = -2.81 ± 0.10 dex, 질량 범위 39–168 M_J를 가진다.
• PZ Tel B의 궤도 분석은 고도의 이심률(e > 0.66)과 경사면 기울기(edge-on)를 확인하였으며, 항성과 동반성의 궤도가 거의 경사면 기울기 시스템임을 확인하였다.
• HD 1160 C의 경우 유도된 표면 온도는 3260 ± 100 K로 이전 추정치와 일치하며, 온도 기반 질량 추정치는 205⁺⁷²₋₅₁ M_J, 밝기 기반 추정치는 244⁺¹¹₃₋₇₀ M_J이다.
• 100⁺²⁰₀₋₇₀ Myr의 시스템 연령은 HD 1160 B가 저질량 항성 범주에 속할 가능성을 약간 지지하지만, 낮은 질량 항성일 가능성은 배제할 수 없다.
• SPHERE의 향상된 천체측위 정밀도(<3 mas 분리, ≤0.2° 파라락틱 각도)는 향후 궤도 운동 탐지가 가능하며, 탐지 한계는 PZ Tel 시스템에서 0.25′′ 이상 거리에 백색왜성 동반성 존재를 배제하고, 0.5′′ 이상 거리에서 3 M_J 이상의 기상행성 존재를 배제한다.