[논문 리뷰] Kelu-1 AB - A possible brown dwarf triple system

M. B. Stumpf, W. Brandner외 6명|ArXiv.org|2008. 11. 04.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 허블 우주望遠鏡(HST)와 빌트/나코(VLT/NACO)의 고해상도 영상 및 천체측위 측정을 이용하여 켈루-1 AB 혜성형 쌍성계의 처음으로 동역학적 질량 측정을 제시하며, 총 질량 177$^{+113}_{-55}$ M$_{ m Jup}$를 확인하고, 가능성이 있는 제3성체에 대한 강력한 증거를 제시하여 켈루-1 AB가 처음으로 확인된 혜성형 삼중성계일 가능성이 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We have monitored the benchmark L dwarf binary Kelu-1AB over the past 3 years to derive improved spectral types and luminosities for the individual components. The astrometric measurements enable us to compute the orbital parameters and result in the first dynamical mass estimate for the system. We obtained resolved high angular resolution, near-IR images with HST and the VLT/NACO adaptive optics instrument in the J, H and Ks bands. In addition we used NACO to achieve the first spatially resolved mid-resolution spectra in the H- and K-band for a precise spectral type determination. The near-IR spectrum of Kelu-1A reveals a distinct dip in the H-band providing evidence that Kelu-1 A itself is a spectroscopic binary. We derive spectral types of L0.5+- 0.5 for Kelu- 1 Aa and T7.5+-1 for Kelu-1 Ab. Kelu-1B is classified as spectral type L3pec +-1.5. From the relative orbit, we derive an orbital period of 38 +8 -6 years and a semi-major axis of 6.4+2.4 -1.3 AU. This yields the first dynamically determined total system mass of 177 +113 -55 Mjup for the Kelu-1AB system, with the uncertainties mainly attributed to the error of the system distance measurement and the yet missing apastron passage. The derived properties of Kelu-1AB allow us to test common theoretical models. The comparison of our results with color-magnitude diagrams based on evolutionary models yields a slightly revised age estimate (0.3 - 0.5 Gyr) and a discrepancy between dynamically and theoretically derived masses, stressing the importance for further dynamical mass determinations of brown dwarf binaries.

연구 동기 및 목표

• 이론 모델에 의존하지 않고 켈루-1 AB 혜성형 쌍성계의 궤도 파rameter와 동역학적 질량을 결정하기 위해.
• 고각해상도 근적외선 영상 및 분광법을 이용하여 켈루-1 AB의 개별 성분을 분해하고 특성화하기 위해.
• 관측된 성질이 이론적 진화 모델과 질량-광도 관계와 일치하는지 테스트하기 위해.
• 동역학적 질량와 이론적 질량 간의 괴리 원인을 설명하기 위해 시스템 내에 해상도가 불량한 제3성체 존재 가능성을 조사하기 위해.
• 공간적으로 분리된 데이터를 이용해 각 성분의 스펙트럼형과 광도 측정치를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 허블 우주망원경/NICMOS와 빌트/NACO 적응광학을 이용하여 J, H, K$_{\rm s}$ 대역의 고각해상도 근적외선 영상을 확보하였다.
• NACO를 이용해 공간적으로 분리된 중해상도 H- 및 K-대역 스펙트럼을 확보하여 각 성분의 정밀한 스펙트럼형 결정을 가능하게 하였다.
• 2005년부터 2008년까지 8회에 걸친 천체측위 측정을 수행하여 궤도 운동을 추적하고 궤도 요소를 유도하였다.
• 관측된 천체측위 데이터를 케플러 궤도 요소에 맞추어 궤도 주기, 장반경, 이심률, 기울기를 계산하였다.
• 궤도 해법과 거리 측정치를 이용하여 뉴턴역학을 적용하여 총 시스템 질량를 계산하였다: $ M = \frac{a^3}{P^2} \cdot \frac{4\pi^2}{G} $.
• 관측된 광도 및 스펙트럼형을 이론적 DUSTY 진화 모델과 비교하여 나이 추정 및 질량-광도 관계 테스트를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 켈루-1 AB 혜성형 쌍성계의 동역학적 질량은 얼마이며, 이는 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 켈루-1 AB의 개별 성분들은 근적외선 영상 및 분광법에서 분해되었는가? 각 성분의 정밀한 스펙트럼형은 무엇인가?
• RQ3 동역학적 질량와 이론적 질량 간의 괴리를 설명할 수 있는 제3성체(해상도가 불량한 성체) 존재에 대한 증거가 있는가?
• RQ4 켈루-1 AB의 관측된 광도 및 분광적 성질은 진화 모델 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 이 시스템의 궤도 해법은 시스템의 나이와 질량 분포를 어떻게 제약하는가?

주요 결과

• 켈루-1 A와 B에 대한 처음으로 분해된 근적외선 스펙트럼이 확보되었으며, 이는 켈루-1 A에서 H-대역의 뚜렷한 골이 관측되어 분광학적 쌍성임을 일치시킨다.
• 스펙트럼형이 켈루-1 Aa에 대해 L0.5$\pm$0.5, 켈루-1 Ab에 대해 T7.5$\pm$1로 정밀화되었으며, 켈루-1 B는 L3 pec$\pm$1.5로 분류되었다.
• 궤도 해법은 주기를 $38^{+8}_{-6}$ 년, 장반경을 $6.4^{+2.4}_{-1.3}$ AU, 이심률을 $e = 0.82 \pm 0.10$ 으로 도출하였다.
• 총 동역학적 질량은 $177^{+113}_{-55}$ M$_{\rm Jup}$이며, 이는 혜성형 쌍성계에 대한 이론적 기대치보다 뚜렷이 높다.
• 높은 질량은 두 성분만 존재할 경우 주성분이 매우 낮은 질량의 별일 수 있음을 암시하며, 이는 초기에 L형으로 분류된 것과 모순된다.
• 질량 괴리로 인해 제3성체가 존재할 가능성이 제기되며, 이 경우 켈루-1 AB는 모든 성분이 75 M$_{\rm Jup}$ 이하인 처음으로 관측된 혜성형 삼중성계가 될 것이다.