[논문 리뷰] Greening of the Brown Dwarf Desert. EPIC 212036875 b -- a 51 M$_\mathrm{J}$ object in a 5 day orbit around an F7 V star

C. M. Persson, Szilárd Csizmadia외 56명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 12.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 6인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 다중 파장 광도 측정, 라디안 속도 측정 및 전이 모델링을 통해 F7 V 항성 주위를 5.17일 궤도로 도는 51 M$_\mathrm{J}$의 백색왜성 후보인 EPIC 212036875b의 발견과 정밀한 특성화를 보고한다. 이 물체는 백색왜성 빈곤대 내에 위치해 있으며, 거대 행성과 구분되지 않는 질량-밀도 경향을 보이며, 백색왜성이 행성 인구의 고질량 측면을 차지한다는 견해를 지지한다.

ABSTRACT

Our aim is to investigate the nature and formation of brown dwarfs by adding a new well-characterised object to the small sample of less than 20 transiting brown dwarfs. One brown dwarf candidate was found by the KESPRINT consortium when searching for exoplanets in the K2 space mission Campaign 16 field. We combined the K2 photometric data with a series of multi-colour photometric observations, imaging and radial velocity measurements to rule out false positive scenarios and to determine the fundamental properties of the system. We report the discovery and characterisation of a transiting brown dwarf in a 5.17 day eccentric orbit around the slightly evolved F7V star EPIC 212036875. We find a stellar mass of 1.15+/-0.08 M$_\odot$, a stellar radius of 1.41+/-0.05 R$_\odot$, and an age of 5.1+/-0.9 Gyr. The mass and radius of the companion brown dwarf are 51+/-2 MJ and 0.83+/-0.03 RJ, respectively, corresponding to a mean density of 108+15-13 g cm-3. EPIC 212036875 b is a rare object that resides in the brown dwarf desert. In the mass-density diagram for planets, brown dwarfs and stars, we find that all giant planets and brown dwarfs follow the same trend from ~0.3 MJ to the turn-over to hydrogen burning stars at ~73 MJ. EPIC 212036875 b falls close to the theoretical model for mature H/He dominated objects in this diagram as determined by interior structure models, as well as the empirical fit. We argue that EPIC 212036875 b formed via gravitational disc instabilities in the outer part of the disc, followed by a quick migration. Orbital tidal circularisation may have started early in its history for a brief period when the brown dwarf's radius was larger. The lack of spin-orbit synchronisation points to a weak stellar dissipation parameter which implies a circularisation timescale of >23 Gyr, or suggests an interaction between the magnetic and tidal forces of the star and the brown dwarf.

연구 동기 및 목표

• 백색왜성 빈곤대 내 희귀한 전이 백색왜성의 특성화를 통해 백색왜성 형성 및 진화에 대한 이해를 향상시키기 위해.
• 백색왜성과 거대 행성이 연속적인 질량-밀도 시퀀스를 이룬다는 가설을 검증하기 위해.
• tidal 진화 및 스핀-궤도 정렬을 포함한 궤도 및 천체역학적 역사에 대한 제약을 설정하기 위해.
• 시스템의 진화 타임라인을 锚정하기 위해 주성의 나이와 진화 상태를 결정하기 위해.
• 다중 기기 후속 관측을 통해 가짜 긍정 사례를 배제하기 위해.

제안 방법

• 행성 전이를 확인하고 궤도 파rameters를 정밀화하기 위해 K2 위성 기반 광도 측정과 지상 기반 다색 전이 광도 측정을 융합하기 위해.
• 보조체의 질량을 결정하고 그가 행성 이하의 천체임을 확인하기 위해 고정밀 라디안 속도 측정을 사용하기 위해.
• 은하 대기 모델링과 스펙트럼 에너지 분포 피팅을 적용하여 주성의 질량, 반지름, 나이를 유도하기 위해.
• 전이 깊이 및 지속 시간 분석을 통해 백색왜성의 반지름을 결정하기 위해.
• Rossiter-McLaughlin 효과를 사용하여 별의 자전과 행성 궤도 사이의 스핀-궤도 기울기 각도를 측정하기 위해.
• tidal 진화 모델을 적용하여 과거 궤도 원형화 가능성과 현재 tidal 분산 정도를 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EPIC 212036875b는 진정한 백색왜성인가? 그 정밀한 질량과 반지름은 무엇인가?
• RQ2 이 물체의 질량-밀도 관계는 거대 행성과 저질량 항성과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ3 백색왜성의 궤도 역사는 tidal 원형화와 이주를 포함해 어떻게 되었는가?
• RQ4 주성의 나이는 무엇이며, 이는 시스템의 진화를 어떻게 제약하는가?
• RQ5 스핀-궤도 비정렬 또는 tidal 고정의 증거가 있는가?

주요 결과

• EPIC 212036875b는 질량 51 ± 2 M$_\mathrm{J}$, 반지름 0.83 ± 0.03 R$_\mathrm{J}$, 평균 밀도 108$_{-13}^{+15}$ g cm$^{-3}$를 가지며, 백색왜성임을 확인한다.
• 주성은 질량 1.15 ± 0.08 M$_\odot$, 반지름 1.41 ± 0.05 R$_\odot$, 나이 5.1 ± 0.9 Gyr를 가지며, 약간의 진화 상태임을 나타낸다.
• 백색왜성은 5.17일의 궤도 주기로 도는 타원형 궤도를 가지며, 이는 상당한 이주를 겪었을 가능성을 시사한다.
• 시스템은 스핀-궤도 비정렬이 유의미하지 않으며, Rossiter-McLaughlin 효과는 낮은 기울기 각도를 나타낸다.
• 초기 시스템 역사에 tidal 원형화가 일어났을 가능성이 있으며, 당시 백색왜성이 더 컸지만 현재 tidal 분산은 약하며 Q′$_\star$ ≳ 10$^8$이다.
• 질량-밀도도에서 백색왜성과 거대 행성 간의 구분이 없으며, 백색왜성이 행성 인구의 고질량 측면임을 지지하는 것으로 나타났다.